можно ли ковать ковкий чугун
Ковка чугуна
Вообще же, говоря о ковке чугуна, мастера имеют ввиду, что после обработки определенным образом, чугун становится ковким, то есть более пластичным, по сравнению с отливками из серого чугуна. При этом, имея мягкую поверхность, томленый чугун все так же хрупок внутри.
Вязким, мягким чугун делает томление в песке или железной руде, и используется он для отливки фасонных изделий в машиностроении, чугунные решетки таким образом не выковать.
Ковкий чугун бывает двух видов: ферритный и перлитный, и хотя производят чаще первый, по своим характеристикам он уступает перлитному, зато и стоит дешевле.
Бывает и так, что «чугунной ковкой» называют «чугунную обработку», то есть «штамповку», что, как вы понимаете, совершенно неверно: штамповка — это отдельный вид серийного производства деталей, служащий совсем иным целям.
В сравнении с ковкой, литьем, и даже штамповкой, ковкий чугун, применяемый в машиностроении имеет низкую себестоимость, а также легкую и стабильную технологию производства, что делает его незаменимым в создании распределительных валов, деталях сцепления или поршней для дизельных двигателей, но к художественному литью из чугуна это имеет уже опосредованное отношение.
Как видите, ковкий чугун — это не миф продавцов металлоизделий, а вполне самостоятельный вид обработки металла, если говорить о промышленных нуждах заказчика, но, в тоже время, уловка продавцов, обещающих все преимущества чугунного литья, по стоимости штамповки, при гибридном методе «кованого чугуна».
Не давайте вводить себя в заблуждение, если на просторах рынка металлоизделий, вам при заказе чугунной скамейки встретятся громкие обещания: «кованый чугун» — миф, «ковкий чугун» — профессиональный термин для промышленных изделий.
Марки чугунов которые нельзя подвергнуть ковке
Ковким чугуном называют чугун, полученный из белого (половинчатого) чугуна путем длительного отжига (томления). Схема получения ковкого чугуна представлена на рис. 4.9.
Процесс получения ковкого чугуна заключается в следующем. В вагранках или электропечах расплавляют низкосортный (половинчатый) белый чугун, затем разливают его в земляные или металлические формы. После охлаждения отливки удаляют из форм и помещают в ящики с измельченной железной рудой или окалиной. Ящики нагревают в печах до температуры
900. 1000 °С, выдерживая 6. 10 сут. В процессе этой термической операции (томления) углерод из цементита диффундирует к поверхности детали, превращаясь в свободный углерод в виде графита (углерод отжига), а часть его выгорает.
В настоящее время внедрена технология ускоренного отжига отливок белого чугуна на ковкий чугун. Суть этой технологии заключается в проведении предварительной термической обработки отливок: нормализации или закалки и отпуска. Этими операциями достигается возможность получения большего числа центров кристаллизации, что приводит к более быстрому распаду цементита в углерод отжига и значительно уменьшает продолжительность процесса получения ковкого чугуна.
Закалку проводят при температуре 820. 950 °С и охлаждают в минеральном, веретенном или трансформаторном масле. Отпуск проводят при температуре 400 °С. При второй стадии окончательного отжига при температуре 950 °С продолжительность сокращается до 5 ч.
В практике применяют также ступенчатый отжиг: отливки охлаждают с 950 до 760 °С в течение 2. 3 ч, с 760 до 680 °С в течение 8. 10 ч, затем осуществляют охлаждение на воздухе.
Современное ускоренное получение ковкого чугуна осуществляется в две стадии. Первая стадия — нагрев отливок в соляных ваннах или расплавленных металлах при 1050. 1100 °С и выдержка 1. 2 ч; вторая — нагрев до 700 °С и выдержка в течение 4 ч. Весь процесс также длится 5. 7 ч. В результате отжига в отливках структура ледебурита и цементита переходит в структуру графита хлопьевидной формы (углерод отжига). По сравнению с исходным чугуном твердость отливок ковкого чугуна
Рис. 4.9. Схема получения ковкого чугуна путем отжига (томления) половинчатого чугуна:
/ — кривая получения ковкого ферритного чугуна; 2 — кривая получения ковкого перлитного чугуна; ЛС1 — критическая температура (эвтектоид) понижается, хрупкость устраняется, прочность повышается, и отливки приобретают высокую пластичность (до 12 %) и ударную вязкость. Благодаря высокой пластичности этот чугун получил название ковкого чугуна, однако ковке этот чугун не подвергается, особенно его нельзя ковать (деформировать) в горячем состоянии, так как по границам зерен в горячем состоянии чугун приобретает хрупкость, появляются микротрещины. После ковки отливки становятся хрупкими. Отливки из ковкого чугуна подвергаются незначительному деформированию в холодном состоянии, гнутся, вытягиваются, рихтуются.
Структура ковкого чугуна в виде хлопьевидного графита обладает более высокой твердостью, прочностью и пластичностью по сравнению с серыми литейными чугунами. Как показала практика, отливки из половинчатого чугуна, подвергаемые отжигу на ковкий чугун, должны быть диаметром не более
40. 50 мм. При сечении более 50 мм в сердцевине образуется очень твердая и хрупкая структура пластинчатого графита.
Отливки из ковкого чугуна имеют следующее содержание примесей: углерода — 2,4. 2,9 %, кремния — 1,0. 1,6 %, марганца — 0,2. 1,0 %, серы — до 0,2 % и фосфора — до 0,18 %.
Структура в отливках ковкого чугуна в зависимости от режимов отжига может быть ферритной или ферритно-перлитной (рис. 4.10). Структуру феррита и углерода отжига получают ступенчатым отжигом. Отливки, полученные при ступенчатом отжиге, имеют пластичность до 12 %.
Отливки на ковкий перлитный чугун производят путем длительного отжига при температуре около 1000 °С. После первой стадии графитизации проводят медленное непрерывное охлаждение до нормальной температуры. После охлаждения в отливках образуется структура перлита и углерода отжига. Структура перлита обусловливает более высокие механические свойства деталей, прочность и твердость. Во время отжига в отливках снимаются литейные напряжения.
Согласно ГОСТ 1215—79 выпускают следующие марки ковкого чугуна: КЧ30-6, КЧ30-8, КЧ35-10, КЧ37-12, КЧ45-7, КЧ50-3, КЧ50-4, КЧ60-3, КЧ65-3, КЧ70-2, КЧ80-1.5, где КЧ – ковкий чугун; первые цифры обозначают предел прочности при растяжении, цифры после дефиса — относительное удлинение.
Ковкие чугуны идут на изготовление деталей небольших сечений, работающих при тяжелых условиях: абразивном износе, ударных и знакопеременных нагрузках, в автомобильном, трак-
Рис. 4.10. Микроструктуры ковкого чугуна: а — ферритная (черносердечная); б — ферритно-перлитная (светлосердечная)
торном и текстильном машиностроении, котло-, вагоно- и дизе- лестроении.
Высокая прочность и плотность отливок ковкого чугуна дает возможность их широкого применения в качестве водо-, газопроводных установок и аппаратуры.
Недостаток ковких чугунов — высокая стоимость отливок из-за длительного отжига и металлургических агрегатов со специальным оборудованием.
Для изменения микроструктуры отливок из ковкого чугуна после механической обработки их подвергают различным видам термической обработки: нормализации, закалке и последующему отпуску. В процессе термической обработки меняется металлическая основа отливок, после чего повышаются твердость, износостойкость, прочность и ударная вязкость.
Чугун — сплав железа с углеродом (от 2,14% до 4-5% углерода), применяемый в промышленности, сантехнике и отоплении, используемый в хозяйственном быту. Чугуны дешевле стали (также сплав железа с углеродом), имеют лучшие литейные свойства, большую тепловую инертность, поэтому широко применяются в различных отраслях машиностроения.
Схема отжига белого чугуна на ковкий.
В зависимости от технологии изготовления в структуре сплава формируются две разные углеродистые формы: графит или цементит. Присутствие того или иного вида углеродного включения определяет вид чугуна и его свойства. Серый чугун содержит свободный углерод (графит), он является литейным. Он характеризуется достаточной пластичностью, позволяющей выполнять его механическую обработку.
Для белого чугуна, содержащего связанный углерод (цементит), характерна высокая твердость и следующая за ней износостойкость, он хрупок и плохо обрабатывается механическим резанием. Он является основой для получения ковкого вида, объединяющего в себе свойства прочности и пластичности. Какая обработка приводит к преобразованию белого чугуна в ковкий и при каких технологических операциях формируется структура ковкого чугуна?
Виды сплавов: белый и серый
Схема микроструктуры ковкого чугуна.
Структура чугуна белого формируется благодаря быстрому охлаждению при затвердевании. При такой технологии растворенный при высоких температурах углерод не успевает выделиться в отдельную структурную составляющую и остается в связанном виде (цементит или карбид железа Fe3C). Его присутствие определяет свойства твердости, износостойкости и хрупкости.
Поскольку скорость охлаждения играет определяющее значение для формирования структуры, важна толщина отливок. При слишком большом сечении (больше 50 — 60 мм) трудно отрегулировать требуемую скорость остывания и получить необходимую безграфитную структуру по всей толщине.
Белые сплавы часто называют передельными, поскольку сами по себе они не применяются, а служат промежуточным сплавом, который либо отжигается в ковкий чугун (КЧ), либо переплавляется в сталь.
Технология получения серого чугуна предполагает медленное охлаждение при затвердевании плюс дополнительное модифицирование кремнием в размере 1-3% (кремний усиливает графитизацию), что позволяет растворенному графиту выделиться в виде отдельных включений.
Структура чугуна с полученными графитными включениями формирует меньшую (чем при цементите) твердость материала и позволяют обрабатывать его резанием. Форма и дисперсность графита, структура металлической основы определяют свойства и виды материала чугунного сплава: серый (СЧ), высокопрочный (ВЧ).
Ковкий чугун: свойства и структура
Схемы микроструктур чугуна.
Ковкий вид чугуна не обрабатывается давлением, над ним не выполняется ковка. Название «ковкий чугун» связано с повышенной пластичностью и вязкостью.
Для получения оптимального сочетания прочности и пластичности используется технология длительного отжига отливок (от 50 до 120 часов) при температуре 900 — 1050ºC. Толщина стен отливок должна быть меньше 50 мм. При этом имеющиеся цементитовые включения распадаются на свободный углерод и феррит (железо).
Процесс распада цементита, называемый графитизацией, может быть полным или не полным. При полном распаде структура чугуна освобождается от всех включений цементита, которые сначала растворяются в аустените (высокотемпературная модификация железа) и затем выделяются в виде графита. Полная графитизация чугуна и преобразование литого материала в ковкий чугун происходит при длительной выдержке и медленном охлаждении.
Схема получения ковкого чугуна.
Плавное охлаждение обеспечивает хлопьевидную форму углерода в структуре ковкого чугуна. В отличие от пластинчатой формы графита, являющейся концентратором напряжений и источником разрушения, обеспечивающей хрупкость чугуна, хлопьевидная форма не ослабляет структуру металлического сплава. Хлопьевидный графит формирует требуемую для ковкого чугуна пластичность и вязкость.
Более пластичной будет структура с шаровидными углеродными включениями, свойственными высокопрочному сплаву. Высокопрочные чугуны получают из серого чугуна модификацией (легированием) щелочно-земельными металлами (добавками магния, церия).
Таким образом, в результате длительного отжига и медленного охлаждения тонкостенных отливок формируется структура, для которой характерны мягкая ферритная основа и компактные графитные включения.
Толстостенные отливки (больше 50 мм) формируют не только хлопьевидные, но и пластинчатые графитные включения. Такая структура хуже обеспечивает полный комплекс механических свойств ковкого материала.
Отжиг: технология и фазовые превращения
Диаграмма изотермических превращений аустенита в ковком чугуне с 2,9% С; 0,88% Si, 0,36% Mn и 0,09% S.
По получаемой структуре ковкий вид материала делят на белосердечный (перлитный) и черносердечный (ферритный) материал. Перлитный является более твердым и износостойким, а ферритный — более прочным и вязким. Структура чугуна ковкого (феррит или перлит + графитные включения) определяется особенностями отжига, температурой и временем выдержки (томления) в печи.
От структурных составляющих и их формы зависят свойства готового материала. Структура чугуна для полноценного отжига с получением требуемых свойств не должна содержать в себе выделений свободного графита, должна быть «отбеленной» по всему сечению. Для этого в сплаве ограничивают количество содержания кремния, способствующего графитизации.
Перлитная основа
Основные виды чугунов.
Белосердечный (перлитный) ковкий чугун получают обезуглероживающим отжигом отливок в порошке железной руды. Популярность этой технологии в прошлом объясняется повышенным содержанием углерода в вагранных отливках (3,4 — 3,6%).
Современная плавка в вагранке дает меньшее содержание углерода (до 3%).
Для перлитного ковкого чугуна используются отливки белого чугуна, содержащие углерод в количестве 3,0 — 3,6 %, технологические добавки кремния, марганца, фосфора, серы. Их размещают в коробах и засыпают свежим рудным порошком или окалиной. При отжиге в железной руде формируется окислительная среда, и углерод частично выгорает (окисляется). Поверхностный слой на глубине до 2 мм оказывается полностью обезуглероженным.
Получаемое литое изделие имеет прочность к воздействию разрывающих и усталостных нагрузок, близкую к стали, повышенную износостойкость. Отливка после обезуглероживания формирует разные свойства вдоль сечения: меньшая твердость на поверхности и большая в сердцевине.
Нагрев выполняется в одну стадию: до 1000 ºC, затем следует длительная выдержка (от 60 до 100 часов) и медленное непрерывное охлаждение вместе с печью. Формируемая «белосердечная» структура состоит из перлита, который на изломе имеет серебристый белый цвет.
На приведенном ниже Изображении 2 структура перлитного ковкого материала соответствует фото «а».
Ферритная основа
Холодная дуговая сварка чугуна.
Черносердечный (ферритный) ковкий чугун (фото «б» на приведенном изображении) отжигается без присутствия руды.
Для защиты от окисления отливки засыпают песком или шамотом, возможно, стальной стружкой. Такой отжиг называют графитизирующим.
Для получения ферритного ковкого чугуна важна структура исходной отливки и химический состав сплава. Ферритный черносердечный материал отжигают из белого, содержащего углерод в количестве 2,4 — 2,8 %, а также добавки кремния, марганца, серы и фосфора. Такие малоуглеродистые сплавы плавятся при повышенных температурах (в сравнении со среднеуглеродистыми), поэтому для их плавки применяется дуплекс — процесс.
На первой стадии при температурной выдержке 900 — 1050 ºC распадается углерод цементита (время выдержки 10-15 часов). На втором этапе при 720 — 760 ºC распадается перлит с выделением свободного феррита и графита, время выдержки 25 — 30 часов.
Таким образом, структура чугуна после двух стадий отжига содержит феррит и свободный хлопьевидный графит. Излом зерен феррита имеет темно-серый цвет, поэтому такие чугуны получили название черносердечных. Черносердечный ковкий чугун характеризуется хорошей вязкостью, дающей возможность обрабатывать его механическим воздействием (на режущем станке). Плотность литья и небольшие литьевые напряжения позволяют лить из ковкого вида тонкостенные детали с толщиной стенок от 4 до 40 мм.
По механическим и литьевым свойствам ковкий вид материала лучше других видов сплавов, но хуже стали.
Ферритная структура обладает небольшой твердостью и износостойкостью, но характеризуется хорошей вязкостью и прочностью. Такой материал заменяет сталь в неответственных узлах.
2.1. Чугуны
Чугуном называют сплав железа, углерода (более 2,14 %) и других элементов (кремния, марганца, фосфора, серы и др.). В чугуне углерод может находиться в химически связанном состоянии в виде цементита (Fe3C) и в свободном состоянии в виде включений графита.
Серый чугун обладает хорошими технологическими свойствами и низкой стоимостью, в настоящее время является распространенным литейным материалом.
Серым называют такой чугун, в котором весь углерод или большая его часть находится в виде графита, а в связанном состоянии (в форме цементита) углерода содержится не более 0,8 %. Излом такого чугуна имеет серый цвет.
Из серого чугуна изготовляют самые разнообразные литые детали – от простых до сложных. Отливки хорошо обрабатываются на металлорежущих станках. Пример условного обозначения серого чугуна по ГОСТ 1412-85:
Его механические свойства зависят от величины зерна металла, от размеров и характера распределения включений графита и др. В обычном сером чугуне графит кристаллизуется в виде пластинок, которые расчленяют основную металлическую массу и действуют как внутренние трещины. По этой причине серый чугун с пластинчатым графитом обладает низкой прочностью и малой пластичностью (до 0,3 %).
Серый чугун обладает способностью рассеивать вибрационные колебания при переменных нагрузках. Это свойство называют циклической вязкостью. Серый чугун имеет хорошие литейные свойства, а отдельные марки обладают достаточно высокой прочностью и износостойкостью.
В сером чугуне обычно содержится 2,9–3,6 % С; 1,5–3,5 % Si; 0,4–1 % Mn; 0,2–0,12 % S; в легированном чугуне содержатся и другие элементы.
Элементы, входящие в состав серого чугуна, существенно влияют на его свойства.
Кремний способствует выделению в чугуне углерода в виде графита, понижает температуру его плавления, обеспечивая высокие литейные и технологические свойства.
Марганец действует на свойства чугуна противоположно кремнию: он препятствует выделению в чугуне углерода в виде графита, увеличивая устойчивость цементита. Марганец повышает твердость чугуна и прочность отливок.
Сера, как и марганец, задерживает выделение в чугуне углерода в свободном состоянии. Способствует отбеливанию чугуна, делает его более тугоплавким, снижает жидкотекучесть. Поэтому в чугуне сера считается вредной примесью.
Фосфор в сером чугуне может оказывать и вредное, и полезное влияние. Повышая хрупкость, фосфор снижает механические свойства чугуна. Следовательно, в чугуне для машиностроительных отливок, требующих высокой прочности, значительное содержание фосфора может быть вредной примесью. Фосфор увеличивает жидкотекучесть металла. Следовательно, в чугуне для тонкостенных, со сложной поверхностью отливок, не требующих высокой прочности, повышенное содержание фосфора будет желательным. При изготовлении художественных отливок, особенно ажурных, содержание фосфора в чугуне до 1 % считается полезной примесью, увеличивающей жидкотекучесть расплава и стойкость отливок против коррозии.
Серые чугуны, применяемые в промышленности в качестве конструкционного материала для литых деталей, по физико-механическим характеристикам можно условно разделить на 4 группы: малой прочности, повышенной прочности, высокой прочности и со специальными свойствами.
Применяют серые чугуны с пластинчатым графитом 11 марок. Механические свойства и химический состав серых чугунов указаны в табл. 2.1.
Таблица 2.1. Марки серых чугунов с пластинчатым графитом
| Марка |
чугуна
Детали, получаемые из серого чугуна, со структурой феррита имеют невысокую прочность, прочные – с феррито-перлитной структурой и наиболее прочные – с перлитной структурой.
Из серого чугуна отливают колонны, котлы, радиаторы, ванны, трубы, а также самые разнообразные конструкционные детали для машиностроения.
Высокопрочный чугун имеет металлическую основу и шаровидные включения графита. Из него изготовляют отливки со стенками большой толщины и высокой прочности (коленчатые валы, зубчатые колеса, детали турбин). Высокопрочный чугун получают модифицированием жидкого серого чугуна магнием. В результате модифицирования в чугуне образуется графит шаровидной формы. В отличие от обычного серого чугуна этот чугун обладает повышенной пластичностью и большей прочностью. Высокопрочный чугун, по сравнению с обыкновенным серым, обладает меньшей склонностью к отбелу.
Высокопрочный чугун с графитом шаровидной формы подразделяется в зависимости от механических свойств на следующие марки, приведенные в табл. 2.2.
Таблица 2.2. Марки высокопрочного чугуна для отливок с шаровидным графитом
| Марка чугуна | Значение временного сопротивления при растяжении σв, МПа | Относительное удлинение, % | Твердость, |
Пример условного обозначения высокопрочного чугуна по ГОСТу 7293-85:
Ковкий чугун получают путем длительного нагрева при высоких температурах (950–1000 °С) (отжигом) отливок из белого чугуна. При отжиге образуется графит, имеющий компактную хлопьевидную форму. При такой форме графита, отливки перестают быть хрупкими, приобретают способность выдерживать ударные нагрузки (свободный углерод в них имеет форму, промежуточную между пластинчатой и шаровидной – хлопьевидную).
Название «ковкий чугун» условно и указывает лишь на то, что этот материал по сравнению с серым чугуном является пластичным. В действительности же ковкий чугун никогда ковке не подвергают, из него, так же как из серого чугуна, изготовляют лишь фасонные отливки для машиностроения. Ковкий чугун по механическим свойствам занимает промежуточное положение между серым чугуном и сталью. Детали, изготовленные из такого чугуна, хорошо работают в среде влажного воздуха, поточных газов и воды. В зависимости от способа производства ковкого чугуна его подразделяют на группы: ферритный и перлитный.
Ферритный ковкий чугун получают при отжиге отливок из белого чугуна в нейтральной среде. Такой чугун имеет бархатный черный излом и состоит из феррита и графита отжига Fe3C→3Fe+Cотж. Из ферритного ковкого чугуна с повышенной пластичностью изготовляют ответственные детали для автомобилей и сельскохозяйственных машин, для этих целей используют марки КЧ 37-12; КЧ 35-10. Для малоответственных деталей (гайки, фланцы и др.) применяют КЧ 30-6; КЧ 33-8.
Перлитный ковкий чугун получают после отжига белого чугуна в окислительной атмосфере. Вследствие обезуглероживания в процессе отжига отливок получают чугун с меньшей вязкостью. Этот чугун находит ограниченное применение в машиностроении.
Из перлитного ковкого чугуна изготовляют карданные валы, звенья цепей конвейера, муфты и др.
Ковкий чугун подразделяется в зависимости от механических свойств на следующие марки, приведенные в табл. 2.3.
Таблица 2.3. Марки ковких чугунов
| Марка чугуна | Значение временного сопротивления при растяжении σв, МПа | Относительное удлинение, % | Твердость, |
Основной химический состав ковкого чугуна: 2,4–2,8 % C; 0,8–1,4 % Si; менее 1 % Mn; менее 0,1 % S; менее 0,2 % P.
Примеры записи марки ковкого чугуна по ГОСТ 1215-79: