Ковка чугуна

Чугун относится к группе черных металлов. По множеству своих характеристик этот сплав можно сопоставить со сталью. Бытовые изделия, инструменты, компоненты различных механизмов — такие и многие другие изделия из чугуна или стали постоянно окружают нас в повседневной жизни. При сравнении этих материалов можно выделить несколько важных аспектов:

Ковкий чугун

Ковкий чугун (мalleable iron castings) получают путем графитизирующего отжига белого чугуна с определенным химическим составом, что способствует образованию компактного графита. Именно он придает ковкому чугуну выдающиеся механические свойства, такие как предел прочности при растяжении σ_B, относительное удлинение δ и ударная вязкость α_H.

Рекомендуемый химический состав ковкого чугуна характеризуется пониженными содержаниями графитизирующих элементов: C = 2,4-2,9%; Si = 1,0-1,6%; C + Si = 3,6-4,2%. Это связано с необходимостью получать отливки из ковкого чугуна в литом состоянии со 100% отбелом по всему сечению отливки. Если в литой структуре чугуна присутствует пластинчатый графит, то в результате отжига формируется пластинчатый графит (т.е. серый чугун), а не компактный, что является уникальной характеристикой ковкого чугуна.

Принято различать черносердечный ковкий чугун, получаемый графитизирующим отжигом (данный метод применяется в Украине), и белосердечный ковкий чугун, получаемый обезуглероживающим отжигом в окислительной среде. Обычно отливки располагают в контейнерах вместе с железной рудой при температуре от 1000 до 1050°C и выдерживают в течение 60-70 часов. Тонкостенные отливки из белосердечного ковкого чугуна производят в таких европейских странах как Франция, Германия и Италия; основными преимуществами этого чугуна являются высокая вязкость и возможность сварки без предварительной и последующей термической обработки.

Термическая обработка

Графитизирующий отжиг является неотъемлемым этапом в технологии производства ковкого чугуна. Основная цель этого процесса — выполнить графитизацию, то есть выделение графита из цементита. Процесс может проходить двумя способами: полной графитизацией цементита с образованием ферритной металлической матрицы или частичной графитизацией первичного и ледебуритного цементита, что приводит к образованию перлитной или перлито-ферритной металлической матрицы.

Независимо от выбранного подхода, графитизирующий отжиг осуществляется в две стадии:

Рис. 1: Схема графитизирующего отжига ковкого чугуна

1. Первая стадия включает нагрев до температуры 930-1050°C со скоростью 200-300°C/ч, с выдержкой на этом уровне примерно 10 часов. На данной стадии происходит разложение первичного и ледебуритного цементита, в результате чего образуется аустенитная матрица с включениями хлопьевидного (компактного) графита (см. рис. 1). Затем выполняется понижение температуры до ~760°C (со скоростью 50-65°C/ч), что немного выше начала эвтектоидного превращения.
2. Вторая стадия предполагает медленное охлаждение со скоростью не выше 5°C/ч на протяжении всего интервала эвтектоидного превращения, вплоть до ~700°C. В это время происходит распад цементита, содержащегося в перлите. Оконечная микроструктура чугуна будет зависеть от условий этой стадии: кратковременная выдержка (~5 часов) может привести к образованию перлитной структуры с включениями компактного графита, окруженными ферритной оторочкой, в то время как длительная выдержка в течение 20-40 часов ведет к образованию ферритной металлической матрицы с компактизированным графитом, как это видно на рис. 1.

Стандарты

Технические характеристики ковкого чугуна для производства отливок регламентируются ГОСТ 1215-79 «Отливки из ковкого чугуна. Общие технические условия».

Маркировка ковкого чугуна осуществляется с помощью букв КЧ, за которыми следуют две цифры, отражающие предел прочности при растяжении σ_B (в кгс/мм²), и через дефис одна или две цифры, обозначающие относительное удлинение δ (в %), а маркировка завершается буквами Ф или П, указывающими на класс чугуна ферритный или перлитный. Например, обозначение КЧ 37-12-Ф указывает, что это ковкий чугун ферритного класса с пределом прочности на растяжение не ниже 37 кг/мм² и относительным удлинением не ниже 12%.

Виды чугуна

Напоминаем, что все чугуны делятся на следующие категории:

• белые;
• серые (по ГОСТ 1412);
• ковкие (по ГОСТ 1215);
• высокопрочные (по ГОСТ 7293).

В белом чугуне углерод содержится в форме цементита. Белые чугуны обладают высокой твердостью и износоустойчивостью, однако за счет их значительной твердости белый чугун крайне трудно обрабатывать на металлорежущем оборудовании.

В сером чугуне углерод имеет пластифицированную форму. Серые чугуны менее тверды по сравнению с белыми. Их основное применение заключается в конструкциях, которые не подвергаются резким ударным нагрузкам.

В ковком чугуне графит представлен в форме хлопьев. Из ковкого чугуна производятся изделия, которые угнетаются высокими ударными и вибрационными нагрузками.

В высокопрочном чугуне графит присутствует в шаровидной форме. Высокопрочный чугун получают путем модификации с использованием магния, который способствует формированию углерода в виде шариков. По своим свойствам высокопрочные чугуны близки к углеродистым сталям. Из высокопрочного чугуна изготавливаются поршни, коленчатые валы и различные компоненты систем торможения.

Получение ковкого чугуна

Как уже утверждалось ранее, ковкий чугун добывается посредством термической обработки белого чугуна с дальнейшим томлением (выдержкой при заданной температуре).

Учитывая, что белые чугуны имеют плохие литейные свойства, при производстве ковких чугунов необходимо принимать меры для минимизации дефектов литья. Для этого белый чугун перегревают, а при отливке принимается во внимание его усадка, а также изменение размеров заготовок во время томления, которое проводится при температуре 1350-1450°С.

Процесс томления ковкого чугуна происходит в специализированных цехах, где заготовки из чугунных сплавов располагаются в горшках, которые могут вмещать до 300 отливок.

Оптимальное качество и максимальная прочность ковкий чугун получает, когда процесс отжига осуществляется в горшках, изготовленных из белого чугуна, легированного хромом.

Ковкий чугун производится в муфельных электропечах, которые способны гибко регулировать температуру в режиме томления. При этом продукты сгорания топлива не соприкасаются с горшками, в которых находятся заготовки.

Плюсы и минусы чугуна

Чугунные сплавы активно используются в таких областях, как автомобилестроение, станкостроение, тяжелое машиностроение и так далее. Несмотря на очевидные преимущества, они обладают и рядом недостатков.

Среди положительных качеств можно выделить:

• экологичность;
• хорошая теплоизоляция;
• высокая теплоотдача;
• устойчивость к резким перепадам температуры и воздействиям кислот и щелочей;
• коррозионная стойкость;
• прочность некоторых марок сопоставима с долговечностью сталей;
• стойкость к износу.

Рекомендуем статьи

Что касается недостатков, то можно отметить:

• хрупкость, которая требует осторожного обращения с деталями в процессе сборки;
• значительная масса деталей и узлов, изготовленных из чугунных сплавов;
• склонность к ржавлению при длительном контакте с влагой.

Основные направления работы российской черной металлургии включают выплавку чугуна и стальных сплавов, а также производство металлопроката. Произведенная продукция востребована в важнейших производственных сферах, таких как машиностроение, станкостроение, строительная, химическая и легкая промышленность, а также другими отраслями.

Виды чугуна

Различные марки чугуна различаются процентными содержанием углерода и другими примесями. В зависимости от формы углерода, содержащегося в чугунных сплавов, выделяют:

Белый чугун

В состав таких сплавов входит цементит или карбид железа, которые обеспечивают металлу износостойкость и высокую твердость. Недостаток этого материала заключается в его сложной обрабатываемости на металлорежущих машинах. Использование белого чугуна включает производство деталей и узлов для автомашин и сельскохозяйственной техники. Он служит для изготовления шаров мельниц, приводных и опорных колес.

Белый чугун по фазовому состоянию может быть:

• доэвтектическим — с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 %;
• эвтектическим — с углеродом от 4,3 %;
• заэвтектическим — с содержанием углерода от 4,3 % до 6,67 %.

Все остальные марки чугунных сплавов содержат углерод в форме графита.

Серый чугун

Углерод в составе серых чугунов представлен в пластинчатой форме. Эти сплавы также включает в себя различные добавки: при производстве форм для литья серого чугуна, известные как кокили, используют литейную землю или сталь. Основное назначение серого чугуна — это производство узлов и деталей, работающих без резких ударных нагрузок. Это может быть клиноременные передачи, подшипниковые чашки и пр. Металл имеет маркировку СЧ 32-52, где первые цифры указывают предел прочности на растяжение, а вторые — на изгиб.

Ковкий чугун

Структура ковкого чугуна включает углерод в форме хлопьев, также он содержит кремний (до 1,4 %), марганец (до 1 %) и другие добавки. Основным сырьем для производства ковкого чугуна служит белый чугун. Для получения ковкого чугуна, заготовки должен быть прогреты и выдержаны при необходимой температуре в течение определенного времени. В этой технологии используется термин «томление». В маркировке КЧ 45-6 первое число обозначает прочность на растяжение, второе — удлинение в процентах.

Ковкий чугун имеет широкий спектр применения — это идеальный материал для тонкостенных отливок (от 3 до 5 мм), которые подвергаются динамическим и изменяющимся нагрузкам.

Высокопрочный чугун

Углерод в структуре такого чугуна принимает форму шаров, которые формируются в процессе модификации — введения магния. По своим свойствам данное соединение сопоставимо с углеродистыми сталями. Высокопрочный чугун уступает лишь серому по качеству лития. Он используется для производства поршней, коленчатых валов и компонентов тормозных систем и т.д.

Маркировка высокопрочного чугуна (например, ВЧ-45-5) включает информацию о прочности на растяжение и относительном удлинении в процентах.

Виды чугуна

Каталог металлургической продукции включает множество различных видов и разновидностей сплавов, которые можно объединить в несколько основных групп. Рассмотрим их подробнее.

Белый

Белый чугун (White Cast Iron) — это один из видов чугуна, который отличается характерным микроструктурным составом и уникальными свойствами. Название он получил благодаря белому цвету, появляющемуся на изломе.

Ключевые особенности белого чугуна:

Белый чугун применяется для изготовления деталей, работающих под высокими нагрузками и износом, таких как валы, шестерни, инструменты для обработки металлов и другие изделия, где важна высокая твердость и стойкость к истиранию. Несмотря на целый ряд преимуществ, его хрупкость и ограниченные области применения делают его менее универсальным по сравнению с другими марками чугуна.

Серый

Серый чугун (Gray Cast Iron) — один из наиболее распространенных видов сплавов, который характеризуется сероватым цветом на изломе. Он проявляет ряд уникальных свойств и используется в различных отраслях. К основным особенностям серого чугуна можно отнести:

• Микроструктура содержит графит, который формирует характерные ламеллярные структуры или флоки, придающие сплаву его характерный цвет при поломке.
• Имеет отличные литейные свойства, позволяющие производить изделия сложной формы.
• Обладает амортизационными характеристиками и ударопрочностью, что делает его подходящим для изделий, подверженных ударным нагрузкам или требующих амортизации вибраций.

Серый чугун широко используется в производстве деталей машин и механизмов, включая цилиндры двигателей, литейные плиты, трубы, столбы и много других изделий. Благодаря своим свойствам он остается одним из наиболее востребованных материалов в различных отраслях промышленности.

Ковкий

Ковкий чугун (Ductile Iron) — это особая разновидность чугуна, обладающая специфической микроструктурой, в которой графит присутствует в виде сферических частиц. Это отличает его от серого чугуна, где графит представлен в виде пластин и волокон.

Ключевые характеристики ковкого чугуна:

• Сферическая форма графита улучшает механические свойства материала, включая высокую прочность и устойчивость к ударным нагрузкам.
• Обладает высоким пределом прочности, что делает его одним из прочнейших материалов среди сплавов железа с углеродом. Он способен выдерживать значительные механические нагрузки, не поддаваясь деформации или разрушению.
• Сохраняя высокую прочность, сплав также демонстрирует хорошую пластическую деформацию, что позволяет успешно использовать его для производства деталей сложных форм с учетом механической обработки.
• Благодаря своей уникальной микроструктуре ковкий чугун обладает хорошей ударопрочностью, что делает его идеальным для применения в условиях, где возможны ударные нагрузки, например, в производстве автомобильных комплектующих или строительстве.

Где применяется чугунный сплав

Чугун находит применение в различных отраслях благодаря своим уникальным свойствам. Основные области его применения:

• Машиностроение — для производства различных деталей машин, таких как корпуса двигателей и насосов, шестерни, валы и множество других компонентов.
• Строительство — для создания труб и фасонных частей, используемых в системах водоснабжения, канализации и отопления, а также для литья столбов, решеток и других конструкций.
• Транспорт — как в автомобильной, так и в железнодорожной промышленности чугунные сплавы часто используются для создания деталей двигателей, тормозных колодок, колес и прочих важных компонентов.
• Нефтегазовая промышленность — для продукции труб и арматуры для нефтегазовых скважин, а также для изготовления насосов и прочего оборудования.
• Энергетика — как материал для изготовления деталей генераторов, турбин, а также для создания лопаток и корпусов турбинных агрегатов.
• Бытовая техника — чугунные сплавы применяют для изготовления сковородок, кастрюль, грилей и других кухонных принадлежностей благодаря их высокой теплопроводности и устойчивости к коррозии.
• Инфраструктура — для создания столбов освещения, крышек люков, решеток дренажных систем и других необходимых элементов.

Области применения

• в машиностроении для изготовления конструкций станков;
• при производстве корпусов и комплектующих автомобилей;
• при создании железнодорожных вагонов;
• в производстве оборудования для сельского хозяйства.

Несмотря на то, что перлитный чугун по своим характеристикам лучше, в большинстве случаев применяются ферритные отливки, так как их производство обходится дешевле.

Перлитный вариант отливок используется для изготовления деталей, подвергающихся повышенным нагрузкам. К примеру, из него изготавливают автомобильные рессоры и компоненты дизельных других двигателей.

Имея значительное количество технологических преимуществ, ковкий чугун в основном применяется для литья изделий с относительно тонкими стенками толщиной от 3 мм до 40 мм.

Заключение

Данная статья предоставляет общее представление о производстве, свойствах, маркировке и использовании ковкого чугуна. Для углубления своих знаний можно также просмотреть видеоролик:

Если у вас есть дополнительная информация по этой теме, вы можете смело делиться ею в комментариях к данной статье.