Ковкий чугун получается при длительном термическом отжиге заготовок белого чугуна. В результате термообработки цементит распадается на железо и углерод в виде графита компактной хлопьевидной формы.
Материал с такими графитовыми включениями характеризуется высокими прочностными параметрами, пластичностью и стойкостью к ударным нагрузкам.
Виды чугунов
Чугун – это сплав железа с углеродом, где содержание последнего более 2,14%. В состав такого сплава могут входить и другие элементы. Их содержание определяет многие параметры и свойства материала.
В железоуглеродистом сплаве содержится цементит, графит и графит с цементитом. Цементитом называют соединение углерода с железом состава Fe3C. Графит – это одна из аллотропных модификаций углерода со слоистой структурой.
В зависимости от содержания указанных соединений меняется цвет изделия. Когда преобладает цементит, материал приобретает светлый отблеск. Отсюда и получилось название «белый».
Графит обладает темной окраской, которую он придает и отливкам. Именно структура графитовых включений определяет пластические свойства материала.
Исходя из этого сплав разделяют на:
- серый;
- ковкий;
- высокопрочный;
- особого назначения.
К первому типу материалов относится сплав железа с углеродом в графитовой модификации хлопьевидной, пластинчатой или глобулярной формы. Он обладает высокими литейными свойствами. Благодаря им часто используется для получения деталей сложной формы.
В то же время хрупкость сплава ограничивает его применение в изделиях, подвергающихся растяжению или изгибу. Сплав с графитом глобулярной формы характеризуется высокими прочностными свойствами. Его относят к одному из подвидов серого чугуна.
Формирование графита указанной формы достигается благодаря добавкам магния и церия. Другие же формы получаются вследствие разных скоростей охлаждения.
Форма включений может быть различной: в виде хлопьев, шаров или пластин. Именно на получении первого вида структуры основан метод получения ковкого чугуна.
Ковкий чугун содержит углерод в интервале концентраций от 2,4–2,8%. Кроме того, в сплаве могут содержаться: кремний, марганец, сера и фосфор. Указанные элементы влияют на конечные свойства изделий.
Особенности производства ковкого чугуна
Чтобы получить ковкий чугун, необходимо следовать технологии, основанной на термическом отжиге заготовок при определенной температуре. В результате данного процесса происходит распад цементита и аустенита. Таким образом, получают углерод, кристаллизующийся в графите хлопьевидной формы.
Аустенитом называют железо с гранецентрированным типом решетки. Данная модификация является высокотемпературной. В железоуглеродистых сталях он может формироваться при температурах более 727 градусов, а в чистом железе при 910 градусах.
Окончательный процесс формирования графита происходит при более низких температурах – в диапазоне 720-760 градусов. Именно углерод в такой модификации определяет такие характеристики, как пластичность и прочность ковкого чугуна.
Метод предусматривает термообработку ковких чугунов в два этапа. Вначале материал подвергают воздействию температуры до 1000 градусов. Выдержка отливок в указанных условиях приводит к распаду ледебурита на графит и аустенит.
После отжига при высокой температуре изделие охлаждают до 720-760 градусов. В результате формируется перлит, распадающийся в дальнейшем на феррит и графит.
Плавку материала для изготовления чугуна осуществляют в вагранках, пламенных и электропечах. Иногда этот процесс осуществляют в комбинированных печах. Исходные отливки могут содержать различное количество углерода.
При изготовлении ферритного сплава необходимо использовать заготовки с меньшей концентрацией углерода. Такие изделия обладают высокой температурой плавления, поэтому требуют повышенную температуру перегрева.
Обычно для плавки в данной ситуации используют две печи. В вагранке происходит расплавление, а в электродуговой печи перегрев. Описанная технология плавки называется дуплекс-процессом.
Для производства перлитного сплава используют заготовки с большим содержанием «С». Для плавки такого материала достаточно вагранки.
Особенностью производства форм для отливок является повышенная усадка белого сплава. Из-за этого процесса возникает необходимость установки боковых прибылей у каждого местного утолщения отливки. Это позволяет избежать формирования раковин.
Для того, чтобы увеличить скорость охлаждения более толстых мест отливки используются металлические холодильники.
Название данного материала обусловлено лишь его более высокими пластичными свойствами. На самом деле его нельзя подвергать ковке. Данный тип сплава используется так же, как и другие его виды.
Преимуществом ковкого чугуна, по сравнению с белым, является высокая антикоррозионная стойкость. По этому свойству материал занимает более высокие позиции, чем углеродистые стали. По механическим свойствам он уступает сталям, однако превосходит белый чугун.
Разновидности ковкого чугуна
В зависимости от процесса производства ковкий чугун бывает ферритным и перлитным. В первом случае изготовление осуществляется в нейтральной среде. Такой материал отличается ферритной структурой с остаточным углеродом отжига.
В состав сплава до термообработки входит 2,2-2,99 процента углерода, а также добавки других элементов, содержание которых не превышает одного процента. Уменьшение концентрации «С» сопровождается увеличением прочностных характеристик материала. Однако его литейные свойства снижаются.
Данный материал широко применяется при изготовлении деталей для машин и сельхоз техники, где необходима стойкость к постоянным нагрузкам и напряжениям.
Термообработка изделий в окислительной среде приводит к формированию белосердечного или перлитного чугуна. Данный сплав отличается другими концентрациями углерода до отжига – 2,8-3,3 процента. После термического воздействия количество углерода падает до 0,6-2,2%.
Данный сплав отличается более низкими пластическими свойствами. В связи с этим его используют в задачах, не требующих стойкости к серьезным пластическим и химическим нагрузкам.
Свойства ковких чугунов
Ковкий чугун обладает механическими свойствами, зависящими от содержания кремния углерода в графитовой аллотропной модификации. Для белосердечного материала влияние оказывают также хром и марганец.
Различие структуры изделий определяет и различие свойств. Так, черносердечный сплав характеризуется большей пластичностью, но меньшей твердостью, чем перлитный тип.
Высокие прочностные характеристики данных сплавов обеспечиваются графитом хлопьевидной формы. Несмотря на свое название, данные изделия не поддаются ковке. Они изготавливаются путем отливки деталей в заданные формы.
Главным достоинством ковкого сплава является однородность свойств по сечению материала, а также отсутствие напряжений.
С точки зрения других характеристик они отличаются:
- хорошей текучестью при литье;
- поглощением вибраций;
- высокой износостойкостью;
- хорошей коррозионной стойкостью к влаге и многим агрессивным химическим соединениям;
- высокой стойкостью к ударным нагрузкам.
Маркировка изделий
Марки ковкого чугуна начинаются с букв «КЧ», после которых следуют цифры. Первые числа соответствуют уменьшенному в десять раз пределу прочности материала. Вторая пара – это показатель относительного удлинения.
Согласно принятым стандартам ковкие чугуны имеют одиннадцать типов маркировки. 4 соответствуют ферритному, а 7 марок – перлитному.
https://youtu.be/2_Xwdx4GL40
Сферы использования материала
Применение ковкого чугуна нашлось в машиностроении, автомобилестроении, в производстве ж/д вагонов, изготовлении сельхоз оборудования.
Лучшими свойствами для отмеченных сфер применения является перлитный тип. Однако, несмотря на более высокие характеристики, чаше используется черносердечный сплав. Это обусловлено меньшими затратами на его производство.
Только для изготовления деталей, подвергающихся высоким нагрузкам, используют белосердечный материал. К таким изделиям относятся рессоры, детали двигателей и т.д.
Итог
Ковкие чугуны нашли широкое применение в различных областях человеческой жизнедеятельности благодаря своим высоким прочностным свойствам и хорошей коррозионной стойкости.
Они используются для изготовления различных деталей, которые должны выдерживать значительные постоянные и периодические нагрузки.
В зависимости от задач, может использоваться либо ферритный, либо перлитный тип материала. Каждый из них обладает своими достоинствами и недостатками, описанными в данной статье.
https://youtu.be/F6ApHPhpnok
