Ковкий чавун: властивості, маркування і область застосування

Відео: Виплавка чавуну.

Чавун - твердий, корозійно-стійкий, однак крихкий залізовуглецевих сплав з вмістом карбону С в межах від 2,14 до 6,67%. Незважаючи на наявність характерних недоліків, має різноманітність видів, властивостей, областей застосування. Широко використовуваним є ковкий чавун.

Історія

Цей матеріал був відомий, починаючи з IV століття до н. е. Його китайське коріння знаходяться в VI ст. до н. е. У Європі перші згадки про промислове виробництво сплаву датуються XIV, а в Росії - XVI століттям. А ось технологія виробництва ковкого чавуну запатентована в Росії в XIX столітті. Після розвинена А. Д. Анносовим.

Так як сірі чавуни обмежені в використанні в силу низьких механічних властивостей, а стали - дорогі і мають невисоку твердість і довговічність, то виникло питання про створення металу надійного, довговічного, твердого, в той же час має підвищену міцність і певну пластичність.

Кування чавуну неможлива, однак завдяки пластичним характеристиками, він піддається деяким видам обробки тиском (наприклад, штампування).

виробництво

Основний спосіб - плавка в доменних печах.

Вихідні продукти для доменної переробки:

• Шихта - залізна руда, що містить метал у вигляді оксидів феруму.
• Паливо - кокс і природний газ.
• Кисень - вдувається через спеціальні фурми.
• Флюси - хімічні освіти на основі марганцю та (або) кремнію.

Етапи доменної плавки:

1. Відновлення чистого заліза шляхом хімічних реакцій залізної руди з подаються через фурми киснем.
2. Згоряння коксу і утворення оксидів карбону.
3. Коксування чистого заліза в реакціях з СО і СО₂.
4. насичення Fe₃C марганцем і кремнієм в залежності від необхідних властивостей на виході.
5. Злив готового металу в форми через чавунні леткі- слив шлаку через шлакові льотки.

По завершенню робочого циклу домни отримують чавун, шлак і колошникового гази.

Металеві продукти доменного виробництва

Залежно від швидкості охолодження, мікроструктури, насиченості вуглецем і добавками можливе отримання декількох видів чавунів:

1. Переробні (білі): карбон в пов`язаному вигляді, первинний цементит. Використовуються в якості сировини для виплавки інших залізовуглецевих сплавів, переробки. До 80% всього виробленого доменного сплаву.
2. Ливарні (сірі): карбон у вигляді повністю або частково вільного графіту, а саме його пластин. Використовуються для виробництва маловідповідальних корпусних деталей. До 19% виділяється доменного лиття.
3. Спеціальні: насичені феросплавами. 1-2% розглянутого виду виробництва.

Ковкий чавун отримують за допомогою термічної обробки передільного.

Теорія залізовуглецевих структур

Карбон з Ферум можуть утворювати кілька різних видів сплавів за типом кристалічної решітки, що відображається на варіанті мікроструктури.

1. Твердий розчин проникнення в &alpha - залізо - ферит.
2. Твердий розчин проникнення в &gamma - залізо - аустеніт.
3. Хімічна освіта Fe₃C (зв`язаний стан) - цементит. Первинний утворюється шляхом швидкого охолодження з рідкого розплаву. Вторинний - більш повільне зниження температури, з аустеніту. Третинний - поступове охолодження, з фериту.
4. Механічна суміш зерен фериту і цементиту - перліт.
5. Механічна суміш зерен перліту або аустеніту і цементиту - ледебурит.

Для чавунів характерна особлива мікроструктура. Графіт може перебувати у зв`язаному вигляді і утворювати вищеперелічені структури, а може перебувати у вільному стані у формі різних включень. На властивості впливають як основні зерна, так і ці утворення. Графітовими фракціями в металі є пластини, пластівці або кулі.

Пластинчаста форма характерна для сірих залізовуглецевих сплавів. Вона обумовлює їх крихкість і ненадійність.

Включення хлопьеобразние мають ковкие чавуни, ніж позитивно впливають на їх механічні показники.

Куляста структура графіту додатково покращує якості металу, впливаючи на збільшення твердості, надійності, витримки значних навантажень. Такими характеристиками володіє чавун високоміцний. Ковкий чавун властивості свої обумовлює ферритной або перлитной основами з наявністю хлопьеобразних графітових включень.

Відео: Сковорода Вок

Отримання ферритного ковкого чавуну

Його виробляють з білого передільного доевтектоїдної маловуглецевої сплаву шляхом відпалу злитків з вмістом карбону 2,4-2,8% і відповідного їм наявності добавок (Mn, Si, S, P). Товщина стінок отжигать деталей повинна бути не більше 5 см. Для виливків значної товщини графіт має форму пластин і бажані властивості не досягаються.

Щоб отримати ковкий чавун з феритної основою, метал поміщають в спеціальні ящики і пересипають піском. Щільно закриті ємності поміщають в нагрівальні печі. Проводять наступну послідовність дій при відпалі:

1. Конструкції нагрівають в печах до температури 1 000 С і залишають витримуватися при постійній теплоті на термін від 10 до 24 годин. В результаті розпадається первинний цементит і ледебурит.
2. Метал охолоджують до 720 С разом з піччю.
3. При температурі 720 С витримуються тривало: від 15 до 30 годин. Ця температура забезпечує розпад вторинного цементиту.
4. На завершальній стадії знову охолоджують разом з робочою грубкою до 500 С, а після вилучають у повітря.

Такий технологічний отжиг називається графітізірующего.

Після проведених робіт мікроструктура матеріалу представляє собою ферит з пластівчастими зернами графіту. Цей тип називають «черносердечним», так як злам має чорний колір.

Отримання перлитного ковкого чавуну

Це різновид залізовуглецевого сплаву, яка також зароджується з доевтектоїдної білого, однак вміст вуглецю в ньому збільшено: 3-3,6%. Для отримання виливків з перлитной основою їх поміщають в ящики і пересипають подрібненої порошкоподібної залізною рудою або окалиною. Сама процедура відпалу спрощується.

1. Температуру металу підвищують до 1 000 С, витримують 60-100 годин.
2. Конструкції охолоджуються з піччю.

Внаслідок томління під впливом спека в металевому оточенні відбувається дифузія: виділяється в цементітние розпаді графіт частково залишає поверхневий шар отжигать деталей, осідаючи на поверхні руди або окалини. Отримують м`якший, в`язкий і пластичний верхній шар «біло-сердечних» ковкого чавуну з твердої серединою.

Такий відпал називають неповним. Він забезпечує розпад цементиту і ледебуріта на пластинчастий перліт з відповідним графітом. У разі, якщо необхідний зернистий перлітний ковкий чавун з більш високими показниками ударної в`язкості і пластичності, застосовується додатковий підігрів матеріалу до 720 С. При цьому утворюються зерна перліту з пластівчастими графітними включеннями.

Властивості, маркування і застосування феритного ковкого чавуну

Тривале «томління» металу в печі має наслідком повний розпад цементиту і ледебуріта на ферит. Завдяки технологічним хитрощів, отримують сплав з високим вмістом вуглецю - феритної структура, характерна для низьковуглецевої сталі. Однак карбон сам по собі нікуди не подінеться - він переходить із зв`язаного з залізом стану у вільний. Температурний вплив змінює форму графітових включень до хлопьеобразной.

Феритної структура обумовлює зниження твердості, збільшення значень міцності, наявність таких характеристик, як ударна в`язкість і пластичність.

Маркування чавунів ковких ферритного класу: КЧ30-6, КЧ33-8, КЧ35-10, КЧ37-12, де:

КЧ - позначення різновиду - ковкий;

30, 33, 35, 37: &sigma-_в, 300, 330, 350, 370 Н / мм² - Максимальне навантаження, яке він може витримати, не руйнуючись;

6, 8, 10, 12 - відносне подовження, &delta-,% - показник пластичності (чим вище значення, тим більше метал піддається обробці тиском).

Твердість - близько 100-160 НВ.

Цей матеріал за своїми показниками займає середнє положення між такими, як сталь і залізовуглецевих сплав сірий. Ковкий чавун з феритної основою поступається Перлітний за показниками зносостійкості, корозійної і втомної міцності, однак вище за механічної витримці, пластичності, ливарним характеристикам. Завдяки невисокій ціні широко використовується в промисловості для виготовлення деталей, що працюють при малих і середніх навантаженнях: зубчасті колеса, картери, задні мости, сантехніка.

Властивості, маркування і застосування перлитного ковкого чавуну

Внаслідок неповного відпалу первинний, вторинний цементитом і ледебурит встигають повністю розчинитися в аустените, який при температурі в 720 С перетворюється в перліт. Останній являє собою механічну суміш зерен фериту і цементиту третинного. Власне, частина вуглецю залишається в пов`язаному вигляді, обумовлює структуру, а частина - «звільняється» в пластівчастий графіт. при цьому перліт може бути пластинчастий або зернистий. Таким чином формується перлітний ковкий чавун. Властивості його обумовлені насиченою більш твердою і менш піддатливою структурою.

Ці, в порівнянні з феритної, мають більш високими антикорозійними, зносостійкими властивостями, їх міцність значно вище, однак нижче ливарні характеристики і пластичність. Податливість до механічних впливів збільшена поверхнево, зберігаючи твердість і в`язкість серцевини вироби.

Маркування чавунів ковких перлітного класу: КЧ45-7, КЧ50-5, КЧ56-4, КЧ60-3, КЧ65-3, КЧ70-2, КЧ80-1,5.

Перша цифра - позначення міцності: 450, 500, 560, 600, 650, 700 і 800 Н / мм² відповідно.

Друга - позначення пластичності: відносне подовження &delta-,% - 7, 5, 4, 3, 3, 2 і 1,5.

Перлітний ковкий чавун застосування знайшов в машинобудуванні і приладобудуванні для конструкцій, що працюють при великих навантаженнях - як статичних, так і динамічних: розподільні вали, колінчаті вали, деталі зчеплення, поршні, шатуни.

Термічна обробка

Матеріал, отриманий внаслідок термічної обробки, а саме відпалу, може повторно піддаватися методам температурних впливів. Їх основна мета - ще більше збільшення міцності, зносостійкості, стійкості до корозії і старіння.

Відео: Матеріалознавство

1. Загартування застосовується для конструкцій, що вимагають високої твердості і вязкості- проводиться шляхом нагрівання до 900 С, деталі охолоджуються з середньою швидкістю близько 100 С / сек за допомогою машинного масла. Слідом за нею йде високий відпустку з нагріванням до 650 С і охолодженням на повітрі.
2. Нормалізація використовується для невеликих простих деталей методом нагрівання в печі до 900 С, вистоювання при цій температурі терміном від 1 до 1,5 години і подальшого охолодження на повітрі. Забезпечує троостітний зернистий перліт, його твердість і надійність при терті і зношуванні. Застосовується для отримання антифрикційних ковких чавунів з перлитной основою.
3. Відпал проводиться повторно при виготовленні антифрикционного: нагрівання - до 900 С, довготривала витримка при цій теплоті, охолодження разом з піччю. Забезпечується феритної або ферритно-перлітною структура антифрикционного ковкого чавуну.

Нагрівання чавунних виробів може проводитися місцево або комплексно. Для місцевого застосовуються високочастотні струми або ацетиленове полум`я (проведення загартування). Для комплексного - нагрівальні печі. При місцевому нагріванні загартовується тільки верхній шар, при цьому підвищується його твердість і міцність, але зберігаються показники пластичності і в`язкості серцевини.

Тут важливо вказати, що кування чавуну неможлива не тільки в силу недостатніх механічних характеристик, а й через високу його чутливості до різкого перепаду температур, який неминучий при загартуванню з водяним охолодженням.

Антифрикційні ковкие чавуни

Цей різновид відноситься і до ковким, і долегованим, вони бувають сірими (АЧС), ковкими (АЧК) і високоміцними (АЧВ). Для виробництва АЧК використовується ковкий чавун, який піддається відпалу або нормалізації. Процеси здійснюються з метою підвищення його механічних властивостей і утворення нової характеристики - зносостійкості при терті з іншими деталями.

Маркується: АЧК-1, АЧК-2. Застосовується для виробництва колінчатих валів, шестерень, підшипників.

Вплив добавок на властивості

Крім Залізовуглецеві основи і графіту вони мають в своєму складі і інші складові, які також зумовлюють властивості чавуну: марганець, силіцій, фосфор, сірку, деякі легуючі елементи.

Манган підвищує плинність рідкого металу, корозійну стійкість і зносостійкість. Він сприяє підвищенню твердості і міцності, зв`язування карбону з залізом в хімічну формулу Fe₃C, утворення зернистого перліту.

Кремній також позитивно впливає на плинність рідкогосплаву, сприяє розпаду цементиту і виділенню графітових включень.

Сірка - негативна, але неминуча складова. Вона знижує механічні та хімічні властивості, стимулює утворення тріщин. Однак раціональне співвідношення її змісту з іншими елементами (наприклад, з марганцем) дозволяє коригувати мікроструктурні процеси. Так, при співвідношенні Mn-S 0,8-1,2 зберігається перліт при будь-яких термінах температурних впливів. При підвищенні співвідношення до 3 з`являється можливість отримати будь-яку необхідну структуру в залежності від заданих параметрів.

Фосфор змінює вологотекучість в кращу сторону, впливає на міцність, знижує ударну в`язкість і пластичність, впливає на тривалість графитизации.

Хром і молібден ускладнюють освіти графітових пластівців, в деяких змістах сприяють утворенню зернистого перліту.

Вольфрам підвищує зносостійкість при роботі в зонах високих температур.

Алюміній, нікель, мідь сприяють графітизації.

Коригуючи кількість хімічних елементів, що входять до складу залізовуглецевого сплаву, а також їх співвідношення, можна впливати на підсумкові властивості чавуну.

Переваги і недоліки

Ковкий чавун матеріал, який має широке використання в техніці. Його основні переваги:

• високі показники твердості, зносостійкості, міцності поряд з вологотекучостю;
• нормальні характеристики ударної в`язкості і пластичності;
• технологічність при обробці тиском, на відміну від сірих чавунів;
• різноманітні варіанти корекції властивостей під певну деталь методами термічної і хіміко-термічної обробки;
• низька вартість.

До недоліків можна віднести індивідуальні особливості:

• крихкість;
• наявність графітових включень;
• низькі показники при обробці різанням;
• значна питома вага виливків.

Незважаючи на існуючі недоліки, ковкий чавун займає відповідальне місце в металургії і машинобудуванні. З нього виробляються такі важливі деталі, як колінчаті вали, деталі гальмівних колодок, зубчасті колеса, поршні, шатуни. Маючи незначну різноманітність марок, індивідуальну нішу в промисловості займає ковкий чавун. Застосування його характерно для тих навантажень, при яких використання інших матеріалів малоймовірно.