Отливки из ковкого чугуна

Ковкий чугун (КЧ) – конструкционный материал, используемый для изготовления отливок во многих отраслях промышленности.

КЧ отличается от СЧ большой вязкостью, а от стали – лучшими литейными свойствами. Его применяют для изделий, подвергающихся динамическим нагрузкам.

На долю отливок из КЧ в общем балансе производства литья приходится 3,5%. Из-за высокой себестоимости он является неперспективным материалом.

Ковким называется чугун с хлопьевидным или компактным графитом типа Гф1-Гф 9, получаемый путем отжига БЧ определенного химического состава.

Получение отливок из КЧ состоит из двух этапов:

1 – получение отливок из БЧ;

2 – графитизирующий отжиг этих отливок.

В результате отжига происходит графитизация с большей или меньшей степенью обезуглероживания. Отливки, которые в литом состоянии были хрупкими и твердыми, после отжига (в определенных пределах) становятся пластичными и легкообрабатываемыми.

В зависимости от условий и режима отжига структура КЧ может быть: ферритной, феррито-перлитной, перлитной с большим или меньшим количеством включений графита (углерода отжига).

В зависимости от металлической матрицы ковкий чугун может быть ферритным черносердечным (ФЧКЧ), перлитным белосердечным (ПБКЧ) или перлитным (ПКЧ).

Излом ФЧКЧ темный, бархатистый с небольшой обезуглероженной светлой поверхностью, он имеет меньшую твердость, лучшую обрабатываемость, более высокую пластичность, поэтому он получил большее распространение, чем ПКЧ.

ПБКЧ имеет светлый, блестящий излом за счет легирования во время отжига. Из него изготавливают детали более высокой прочности. ПКЧ обладает также более высокими антифрикционными свойствами.

Гост 1215-79 устанавливает 11 марок КЧ, они маркируются двумя буквами КЧ и двумя цифрами: первая – σ_в, вторая – δ,%), регламентируется химический состав и твердость (НВ). Механические свойства КЧ в основном зависят от типа матрицы, количества и дисперсности графита.

Таблица 6 – Механические свойства и средний химический состав КЧ

ФКЧ наряду с удовлетворительной прочностью, обладает хорошей пластичностью и вязкостью разрушения. Высокие эксплуатационные свойства ФКЧ сохраняет до температуры 450 °С.

ПКЧ имеет более высокую прочность и износостойкость, но меньшую пластичность. Его подвергают следующим видам термообработки: нормализации, закалке и закале с отпуском. В результате получается сорбит или тростит с повышенной прочностью.

Преимущества КЧ состоят в однородности его свойств по сечению отливки, отсутствие в них напряжений, сочетание высоких механических свойств с хорошей обрабатываемостью резанием. Хлопьевидный графит обеспечивает ломкость стружки и одновременно служит сухим смазывающим материалом.

Ферритная матрица с небольшой твердостью способствует снижению усилий резания. При одной и той же твердости обрабатываемость КЧ на 10-30% выше, чем обрабатываемость стальных поковок.

Литейные свойства ковких чугунов зависят от химического состава и состояния углерода.

Пониженное содержание (C+Si) дает меньшую степень этектичности, что приводит к снижению жидкотекучести КЧ по сравнению с СЧ.

Жидкотекучесть для КЧ имеет важное значение, т.к. из них изготавливают корпусные сложные тонкостенные отливки. Для повышения жидкотекучести увеличивают перегрев металла перед заливкой.

КЧ имеют пониженное содержание графитизирующих элементов (C+Si). Это необходимо для получения в литом состоянии полного отбеленного чугуна по всему сечению отливки. Если в структуре образуются включения ПГ, то при отжиге будет формироваться ПГ, а не ХГ, в результате вместо КЧ получится СЧПГ.

КЧ должен иметь такой химический состав, который был бы максимально приближен к составу серого чугуна, но не содержал бы ПГ. Он должен быть предельно белым и находиться в половинчатой области структурных диаграмм.

Сочетание C и Si для отливок с разной толщиной стенок различно, чем толще стенка, тем меньше требуется C и Si.

Содержание Mn в зависимости от содержания S, т.е. Mn/S = 3-4.

Содержание других элементов определяется их влиянием на графитизацию. Хром как карбидообразующий элемент значительно увеличивает глубину отбела, поэтому его содержание находится в пределах 0,05-0,07%.

Цель отжига – обеспечить графитизацию чугуна. При этом возможны два варианта:

1 – полная графитизация и получение чисто ферритной матрицы;

2 – частичная графитизация, образуется перлитная или феррито-перлитная матрица.

Графитизирующий отжиг состоит из двух стадий.

1 – нагрев до температуры 930-1050 °С и выдержка примерно 10 ч. На этой стадии происходит разложение первичного и ледебуритного цементита, в результате образуется аустенитная матрица с включениями хлопьевидного и коагулярного графита.

Затем температура снижается со скоростью V_охл = 25 °С/ч до температуры эвтектоидного превращения ~ 760 °С и далее начинается вторая стадия графитизции.

2 – медленное охлаждение со скоростью V_охл = 5 °С/ч во всем интервале эвтектоидного превращения (760-700 °С). При этом происходит распад Ц_п → Ф +Г.

Конечная структура чугуна зависит от параметров второй стадии, т.е. скорости охлаждения или длительности выдержки в интервале критических температур.

Рисунок 24 – Режим графитизирующего отжига с БЧ на ФЧКЧ

Кратковременная выдержка в течение 5 ч дает перлитную матрицу с включениями коагулярного графита, вокруг которого ферритная кайма.

Длительная выдержка приводит к полному распаду цементита и получению ФКЧ. Длительность отжига является главным недостатком КЧ.

Для получения ПБКЧ режим отжига изменяется. Он сводится к длительной первой стадии в окислительной атмосфере при температуре 1000-1050 °С в течение 70-80 ч. За это время происходит удаление значительной части углерода.

Рисунок 25 – Ускоренный режим отжига для получения ПБКЧ (ПКЧ)

Структура П+Г и поэтому этот чугун по составу напоминает графитизированную сталь. Применение окислительной атмосферы сокращает время отжига со 100 до 50 ч.

Вторая стадия отжига проходит при относительно большой скорости охлаждения – 25 °С/ч. Цементит не распадается при эвтектическом превращении, а остается в перлите. ПКЧ подвергается термической обработке – закалке и отпуску для получения сорбита или тростита, в результате чего повышаются механические свойства.

Иногда ПКЧ легируют медью, молибденом, марганцем. Для предупреждения выделения пластинчатого графита в толстых сечениях отливки в жидкий чугун вводят Bi = 0,005-0,025, В = 0,002-0,0035.

Обычный ПКЧ вытесняет ПБКЧ и получает более широкое распространение при изготовлении ответственных отливок.