|
Ковкий чугун является
конструкционным материалом, используемым для изготовления мелких тонкостенных
отливок для сельскохозяйственных машин, автомобилей, тракторов, арматуры,
фитингов и других деталей массового производства ( 15). Благодаря компактной
форме графита (углероду отжига) чугун отличается высокими механическими
свойствами и пластичностью, занимая в этом отношении промежуточное положение
между серым чугуном и сталью.
Ферритный ковкий чугун обладает высокой пластичностью,
сопротивлением ударным нагрузкам и однородностью механических свойств по
сечению отливок. Второй особенностью ферритного ковкого чугуна является
возможность одновременного повышения прочности и пластичности, тогда как в
других железоуглеродистых сплавах повышение прочности всегда сопровождается
снижением пластичности. Это объясняется тем, что при уменьшении размера и
повышении степени компактности графитовых включений снижается концентрация
напряжений, что способствует повышению пластичности и одновременно
положительно влияет на прочность.
Перлитный ковкий чугун обладает высокой прочностью и
средней пластичностью, хорошими антифрикционными свойствами и высокой
износостойкостью, которая значительно повышается при легировании.
Основной особенностью технологии является изготовление
отливок из белого чугуна без включений пластинчатого графита, который
ухудшает механические свойства. Увеличение толщины стенок и массы отливки
значительно затрудняет получение чисто белого излома, поэтому область
использования ковкого чугуна ограничивается тонкостенными (до 50 мм) отливками массой в несколько десятков килограммов.
Конечную структуру чугуна без структурно свободного
цементита получают после отжига. В зависимости от химического состава чугуна
и режима отжига можно получить ферритную, перлитную или перлитно-ферритную
металлическую основу.
Различают два вида ковкого чугуна: черносердечный (темный
бархатистый излом) и белосердечный (блестящий светлый излом). Целью отжига
чугуна на черносердечный является разложение структурно свободных карбидов.
Обезуглероживается только
поверхностный слой толщиной до 0,5 мм, а содержание углерода в остальном сечении не изменяется. Это достигается применением
нейтральной атмосферы.
При отжиге чугуна на белосердечный наряду с графитизацией
преследуется еще одна цель — обезуглероживание. При этом снаружи имеется полностью
обезуглероженный слой глубиной несколько миллиметров, затем содержание
углерода постепенно повышается, но и в центре отливки оно не достигает
исходного.
Отжиг белого чугуна на черносердечный ферритный чугун
состоит из пяти этапов ( 80).
1. Нагрев чугуна с исходной структурой перлит +
цементит до 900—1000 °С.
2. Выдержка при 900—1000 °С (первая стадия
графитизации), во время которой происходит разложение структурно свободного
цементита и насыщение аустенита углеродом до содержания, близкого к равновесному.
В конце этого периода структура чугуна — аустенит -f углерод отжига.
3. Охлаждение до температуры ниже эвтектоидной
(690— 700 °С), при которой часть углерода выделяется из твердого раствора, и
происходит перлитное превращение. К концу этого периода структура чугуна —
перлит + углерод отжига.
4. Выдержка при 690—700 °С (вторая стадия
графитизации), во время которой происходит разложение эвтектоидного
цементита. К концу выдержки структура чугуна — феррит -f углерод отжига.
5. Охлаждение на воздухе.
Продолжительность выдержки при первой и второй стадиях
графитизации зависит от скорости разложения цементита. Общий Цикл отжига
обычно составляет 50—60 ч.
При отжиге на черносердечный перлитный чугун исключается
вторая стадия графитизации, относительно быстрое охлаждение в интервале
критических температур позволяет зафиксировать перлитную металлическую
основу. При отжиге на белосердечный ковкий чугун в интервале высоких
температур идут параллельно два процесса — графитизация и обезуглероживание.
Обезуглероживание обеспечивают отжигом отливок в контейнерах, которые после
укладки отливок засыпают рудой. Процесс обезуглероживания идет через газовую
фазу, передающую кислород от руды к углероду отливки. Углерод окисляется в
основном на поверхности отливки. Содержание углерода по сечению отливки
уменьшается за счет диффузии углерода твердого раствора от центра к
периферии.
При проведении обезуглероживания режим отжига белосер-
дечного чугуна ( 80, б) отличается от режима отжига черносер- дечного чугуна
высокой температурой (1000—1050 °С) и большей продолжительностью цикла
(100—110 ч).
Повышенный расход топлива, связанный с длительным циклом отжига,
и расход руды делают этот способ менее экономичным, чем способ получения
черносердечного чугуна. Поэтому на отечественных заводах производят в
основном отливки из черносердечного ковкого чугуна.
При отжиге на белосердечный чугун отливки укладывают в
чугунные контейнеры (горшки) и пересыпают песком. Термические печи для отжига
по характеру работы разделяют на непрерывные и периодические. В непрерывных
печах туннельного типа длиной до 100 м и производительностью до 100 т отливок в сутки перемещаются тележки с контейнерами, нагруженными отливками. Печи
имеют различные температурные зоны. В зависимости от требуемого режима отжига
устанавливают температуру и длину каждой зоны, скорость перемещения тележки.
Для отжига чугуна на черносердечный получили распространение
электрические печи элеваторного типа. Отливки загружают на вагонетку, которая
поднимается плунжером и вводится в печь для прохождения первой и второй
стадии графитизации. Так как атмосфера в печи нейтральная, отливки загружают
в вагонетку без контейнеров и паковочного материала. Цикл отжига сокращается
до 30—40 ч.
Химический состав чугуна ( 16) зависит от требуемых
механических свойств, толщины стенок отливки, типа плавильного агрегата,
способа отжига и т. д. Содержание углерода и кремния в зависимости от толщины
стенок и массы отливки выбирают таким, чтобы до отжига чугун имел белую
структуру. При этом учитывают влияние элементов на продолжительность отжига и
механические свойства чугуна.
Механические свойства ковкого чугуна определяются общим
содержанием в нем включений углерода отжига, поэтому для получения чугуна
высших марок необходимо использовать низкоуглеродистый чугун (2,6—2,7 % С).
Повышение содержания кремния уменьшает продолжительность первой и второй
стадий графитизации, поэтому, принимая за основу содержание углерода,
требуемое для получения чугуна заданной марки, назначают максимально
допустимое содержание кремния, обеспечивающее структуру белого чугуна.
Повышенное содержание марганца в перлитном чугуне замедляет графитизацию при
эвтектоидном превращении и способствует получению сфероидального перлита и
высоких механических свойств. Для повышения пластических свойств содержание
фосфора должно быть снижено.
При производстве ферритного ковкого чугуна содержание
хрома ограничивается 0,07 % вследствие его тормозящего влияния на
графитизацию, особенно во второй стадии.
Широко применяют модифицирование чугуна алюминием
(0,007—0,015 %), титаном (0,01—0,05 %), висмутом (до 0,003 %), теллуром (до
0,01 %), что сокращает цикл отжига и при некоторых условиях повышает
механические свойства.
Для ускорения цикла отжига возможно также использование
предварительной закалки или низкотемпературной обработки отливок при 300—450
°С в течение 3—5 ч, повышение температуры выдержки отливок на первой стадии до
1050 °С, повышение содержания кремния в чугуне.
|