Ковкий чугун

        ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА


        Термин «ковкий чугун» является условным, поскольку изделия из него, так же как и из любого другого чугуна, изготовляют не ковкой, а путем литья. В ковком чугуне, далее "КЧ", графит находится в форме хлопьев.
Основной особенностью микроструктуры ковкого чугуна (КЧ), определяющей его свойства, является наличие компактных включений графита — «углерода отжига». Благодаря компакт­ному графиту ковкий чугун имеет высокую прочность и пла­стичность.
Если по уровню временного сопротивления разрыву при рас­тяжении, относительного удлинения и ударной вязкости КЧ близок к чугуну с шаровидным графитом (ЧШГ), то по хлад­ноломкости он превосходит ЧШГ. Это связано с низким содер­жанием кремния в КЧ (0,9—1,6% против 2,0—3,0% в ЧШГ). При содержании в чугуне свыше 2,0 % кремний ликвирует на границу эвтектических зерен, охрупчивает их, снижая за счет этого ударную вязкость при низких температурах.
Обрабатываемость резанием КЧ, особенно ферритного, лучше, чем ЧШГ или стали с одинаковым содержанием связан­ного углерода. Это объясняется наличием углерода отжига, ко­торый облегчает излом стружки и служит смазкой режущей кромки инструмента; в ЧШГ более высокое содержание крем­ния повышает микротвердость феррита, ухудшает его обраба­тываемость. Если принять обрабатываемость резанием автомат­ной стали за 100 %, то обрабатываемость ферритного КЧ соста­вит 100—120%, перлитного с твердостью ИВ 190—240 — 70— 90 %. КЧ с зернистым перлитом обрабатывается лучше, чем с пластинчатым.
Обезуглероженный КЧ является единственным конструкци­онным чугуном, который хорошо сваривается и может быть использован для получения сварно-литых конструкций. Детали можно соединять дуговой сваркой в среде защитного газа и стыковой сваркой с оплавлением. После сварки термической обработки не требуется; твердость сварного шва не превышает НВ 200 [1]. При специальных режимах сварки в сварных кон­струкциях применяют ферритный КЧ .
КЧ хорошо поддается запрессовке, расчеканке и легко за­полняет зазоры. Отливки из ферритного КЧ можно подвергать холодной правке, из перлитного — в горячем состоянии.
КЧ имеет пониженные литейные свойства. Жидкотекучесть ниже, чем СЧ и ЧШГ, но выше, чем стали, и возрастает с по­вышением содержания углерода, кремния и фосфора. Соответ­ственно толщину стенки отливок из КЧ назначают не менее 6 мм. Ограничение по максимальной толщине (не более 60 мм) связано с возможностью появления в литом состоянии
 

       Марки чугуна и основные механические свойства.


        В основу стандартизации ковкого чугуна положен принцип рег­ламентирования минимально допустимых значений ϭв, Ϭ, преде­лов НВ (табл.). В зарубежных стандартах регламентируют также минимально допустимое значение ϭт, в некоторых стан­дартах имеются марки обезуглероженных ковких чугунов (табл.).
  
МАРКИ КОВКОГО ЧУГУНА ПО ГОСТ 1215—79

 
Марка ϭв , МПа Ϭ ,% НВ Класс отливок
(не менее)
КЧ 30—6 294 6 100—163 Ферритный
КЧ 33-8 323 8 100—163 То же
КЧ 35—10 343 10 100—163 »
КЧ 37—12 362 12 100—163 »
КЧ 45-7 441 7 150—207 Перлитный
КЧ 50-5 490 5 170-230 То же
КЧ 55—4 539 4 192—241 1
КЧ 60-3 588 3 200—269 »
КЧ 65—3 637 3 212-269 »
КЧ 70—2 686 2 241-285 »
КЧ 80-1,5 784 1,5 270-320 »

        Механические свойства ковкого чугуна определяют на литых образцах диаметром 16 мм; в зависимости от толщины стенки отливок допускается применение образцов диаметром 8 или 12 мм. Рас­четная длина для определения относительного удлинения, как правило, трехкратная. Механические свойства контролируют у чугуна каждой плавки, а при крупносерийном производстве — один раз в смену.
Временное сопротивление разрыву при растяжении ковкого чугуна ферритного и перлитного классов несколько ниже, чем у ЧШГ. Следует отметить, что с точки зрения работоспособно­сти литых деталей существенное значение имеет отношение ϭт / ϭв, которое у ковкого чугуна несколько выше (0,6—0,85), чем у литой углеродистой стали (0,5—0,7).
Относительное удлинение ковкого чугуна достаточно высо­кое: от 6 до 20 % у марок ферритного класса и от 1,5 до 10 % у перлитного. Для ковкого чугуна ферритного класса, в отличие от ЧШГ, с увеличением ϭв и ϭт растет относительное удлинение, причем увеличение количества и компактности графитовых включений, размельчение зерен феррита повышают ϭв, ϭт, не оказывая существенного влияния на твердость.
Од­нако более существенное влияние на механические свойства ока­зывает величина зерен феррита.
Твердость ковкого чугуна ферритного (ФКЧ) и перлитного (ПКЧ) классов ниже, чем ЧШГ. Эта разница особенно заметна на ферритных марках: твердость ФКЧ НВ 100—163; ферритного ЧШГ 100—200; ПКЧ 150—320; перлитного ЧШГ 170—360. Одна из причин более низкой твердости КЧ — пониженное содержа­ние кремния.
С увеличением количества связанного углерода или перлита в ковком чугуне повышаются твердость  ϭв, ϭт, a б падает . Показатели механических свойств также существенно зависят от строения перлита и его дисперс­ности. Так, зернистый перлит придает КЧ при той же проч­ности более высокое б и более низкую твердость, чем пластин­чатый.
 
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРИ ДИНАМИЧЕСКИХ И ЗНАКОПЕРЕМЕННЫХ НАГРУЗКАХ

В таблице ниже  приведены механические свойства КЧ при динами­ческих и знакопеременных нагрузках.
Ударная вязкость КС, KCU зависит от твердости чугуна, причем максимальной ударной вязкостью обладает КЧ с фер­ритной матрицей. На рис. 3.9 показана зависимость ударной вязкости КЧ и ЧШГ от твердости [6]. КЧ обладает более высо­кой КС, чем ЧШГ. Быстрое охлаждение отливок из КЧ с тем­ператур 500—800 К приводит к резкому снижению сопротивле­ния удару (рис. 3.10) и соответственно ударной вязкости. При этом излом от черного бархатистого переходит к блестящему белому. При назначении режимов термической обработки отли­вок из КЧ необходимо не допускать быстрого охлаждения с указанного диапазона температур.
КЧ по прочности при знакопеременных нагрузках превосхо­дит серый чугун, близок к стали 35Л и незначительно уступает ЧШГ. Экспериментально определенные значения коэффициента эффективности надреза меньше теоретических значений, что свидетельствует о низкой чувствительности КЧ и ЧШГ к концентраторам напряжений. При пульсирующем из­гибе ЧШГ имеет большую чувствительность к надрезам.
 
  
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОВКОГО ЧУГУНА ПРИ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗКАХ
  Механические свойства КЧ
  ферритного перлитного и обеэугле- роженного
Ударная вязкость, кДж/м2:
КС
550-2000 200 -800
КСU
Ϭ-1р, МПа
Ϭ-1, МПа
Շ-1, МПа

 
100-500 50—160
85-110 105-140
95-190 170—250
105-150 180-260
 
        ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

        Основные физические свойства ковкого чугуна различных ти­пов приведены в таблице ниже.
Плотность ковкого чугуна зависит от соотношения структур­ных составляющих — феррита, перлита, графита, мартенсита, цементита, имеющих плотность 7860 ; 7780; 2250; 7630; 7660 г/м3 соответственно. Белый чугун имеет наибольшую плотность, после отжига она снижается, оставаясь наибольшей у обезуглероженного КЧ. При одинаковом химическом составе перлитный КЧ имеет большую плотность, чем ферритный. С повышением содержания углерода плотность КЧ уменьшается. В отливках плотность чугуна меньше идеальной для данного состава, так как она снижается при недостаточном питании, газонасыщенности чугуна, при податливой форме.
Коэффициент теплового расширения КЧ всех марок отлича­ется незначительно. Коэффициент теплопроводности λ доста­точно высок для всех марок КЧ, особенно ферритного класса, и превышает теплопроводность стали, серого чугуна и ЧШГ, ко­торый имеет λ от 30 до 40 Вт/(м⋅К). Из структурных состав­ляющих максимальную теплопроводность имеет графит, однако из-за анизотропности графита λ колеблется в больших преде­лах, а графит шаровидной формы снижает теплопроводность ЧШГ. С повышением температуры теплопроводность КЧ, как и других черных сплавов, падает.
 
   
         ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОВКОГО ЧУГУНА
 
    Тип чугуна  
Свойства белый до отжига ферритный
КЧ
перлитный
КЧ
обезуглеро-
женный
КЧ
Плотность γ, кг/м3 7350—7800 7200—7400 7300-7500 7300—7700
Коэффициент линейного расширения α293-373 ⋅103, 1/К 9—10 10,5—11,0 10,3—10,8 10,5—11
       
Коэффициент теплопро­водности λ293-373, Вт/(м ⋅ К) 29-50 50-60 45-60 42—60
Удельная теплоемкость         С293-373 Дж/(кГ ⋅ К) 520-575 460-500 530—545 460—500
       
Удельное электросопро­тивление ρ, мкОм ⋅ м 0,45-0,70 0,25-0,38 0,30-0,45 0,25—0,40
Магнитная индукция В, Т л 1,1-1,2 0,8-1,0 0,75—1,1
Магнитная проницаемость     μ – 106, Гн/м 150-190 1200-2300 200-800 500-2000
Остаточная индукция Вг, Тл
 
0,65-0,75 0,55—0,70 0,60—0,75 0,55—0,75
         
   Коэрцитивная сила Нс, А/М
 
400-880 125-300 320-800 160-800
 
        Коэффициент трения перлитного КЧ при трении со смазкой равен 0,05—0,10, при сухом трении — 0,30—0,45. Перлитный и перлито-ферритный КЧ используют для подшипников скольжения; ферритный ков­кий чугун может применяться только при малых значениях pV—менее 2МПа ⋅ м/с.
Основные характеристики антифрикцион­ного ковкого чугуна приведены в разделе 12.
В условиях сухого трения хорошие результаты показывает перлитный КЧ с повышенным содержанием S (от 0,25 до 0,30%) .
Герметичность КЧ, имеющего компактные включения гра­фита, высокая. Отливки, изготовленные из ковкого чугуна, вы­держивают гидравлическое давление 4 МПа при толщине стенки 7—8 мм, а фитинги из обезуглероженного КЧ — до 60 МПа. Вместе с тем КЧ склонен к образованию усадочных и газоусадочных дефектов в отливках, резко снижающих герме­тичность. Для картерных отливок из КЧ, работающих под дав­лением, требуется тщательная проработка конструкции и техно­логии формы для обеспечения направленности затвердевания, исключения пористости.
Коррозионная стойкость КЧ определяется многочисленными факторами: химическим составом; структурой (особенно по­верхностного слоя); плотностью; температурой; агрессивностью среды. Электрохимическую коррозию создают гальванические пары феррит — графит (э. д. с. 0,564 В) и феррит—цементит, э. д. с. которой ниже. Электрохимическая коррозия усиливается с повышением дисперсности структурных составляющих при на­личии рыхлот, неметаллических включений. Поэтому обезугле- роженная однофазная поверхность отливок из КЧ хорошо со­противляется атмосферной коррозии. Механически обработан­ные поверхности ферритного КЧ корродируют быстрее. Для за­щиты от коррозии КЧ применяют гальванопокрытия.
 

        ПРИМЕНЕНИЕ ОТЛИВОК ИЗ КОВКОГО ЧУГУНА

Рекомендуемые марки чугуна

Детали

Условия работы

Автомобилестроение

КЧ 35—10; КЧ 37—12

Картер редуктора заднего моста, дифференциала, руля; ступицы колес, крон­штейны двигателя, рессор, тормозные колодки, на­кладки; балансиры, катки, барашки, пробки

Сложные переменные динамические (ударные) нагрузки

КЧ 45-7; КЧ 50-5; КЧ 55—4

Ступицы колес, тормозные барабаны, крышки под­шипников коленчатого вала, картеры распределитель­ной коробки, редуктора заднего моста, втулки

Статические и динамиче­ские нагрузки, износ

КЧ 60—3; КЧ 65—3; КЧ 70—2; КЧ 80-1,5

Шатуны, поршни, шестер­ни, коленчатые валы

Высокие статические и динамические нагрузки, износ

Сернистый перлитный чугун

Распределительные валы, направляющие втулки кла­панов, заготовки для на­плавки толкателей

Сильный износ

Обезуглероженный чу­гун

Сварные конструкции — выхлопные коллекторы, карданные валы, крон­штейны и др.

Статические и динамиче ские нагрузки

Тракторное и сельскохозяйственное машиностроение

КЧ 30-3; КЧ 33-8; КЧ 35—10; КЧ 45—7

Шестерни, муфты, храпо­вики, рычаги, звездочки, собачки, ступицы, вилки валов, катки, кронштейны, втулки, звенья цепей, клю­чи, барашки и др.

Изгибающие, скручиваю­щие, растягивающие ста­тические и динамические
нагрузки, износ

Вагоностроение и судостроение

КЧ 33-8; КЧ 35—10; КЧ 37—12; КЧ 45—7

Детали воздушных тормо­зов, кронштейны, скобы, иллюминаторные кольца

Изгиб, ударные нагрузки износ

Электропромышленность

КЧ 35—10; КЧ 45-7

Державки проводов, шап­ки, крючья изоляторов, клеммы и др.

Изгиб, ударные нагрузки

Станкостроение, текстильное машиностроение

КЧ 35-10; КЧ 45—7; АКЧ-1; АКЧ-2

Втулки, вилки, шестерни, банкоброши и др.

Износ, статические идинамические нагрузки

Санитарно-техническое и строительное оборудование

КЧ 33—8; КЧ 35—10 Обезуглероженный чу­гун

Фиттинги, вентили, уголь­ники, радиаторные нип­пели, кронштейны, пневмо­корпуса и др.

Внутреннее давление до
2 МПа

       

        Применение 


        Отливки из ковкого чугуна используют во многих отраслях промышленности (табл. 3.18). Масса отливок может быть от нескольких граммов до 250 кг, минимальная толщина стенок отливки 3 мм, максимальная для обезуглероженного чугуна 25 мм, для графитизированного 60 мм, в отдельных случаях — до 100 мм.
Обладая механическими свойствами, близкими к литой стали и ЧШГ, высоким сопротивлением ударным нагрузкам при ком­натной и низких температурах, износостойкостью, лучшей, чем ЧШГ, обрабатывамостью резанием и свариваемостью, КЧ со­хранит в ближайшие годы свое применение, особенно для мел­ких отливок, сварных конструкций, несмотря на склонность к образованию трещин и энергоемкость получения готовых отливок.
Модификаторы для КЧ подразделяются на два типа: стабилизи­рующие цементит и предотвращающие графитизацию при кри­сталлизации толстостенных отливок, но не оказывающие замет­ного отрицательного влияния на графитизацию отжига; обеспе­чивающие ускорение графитизации при отжиге. Оба типа модификаторов применяют в сочетании друг с другом. Это по­зволяет достигнуть ускорения отжига, увеличить допустимую толщину стенок отливок.
К модификаторам первого типа относятся Bi, Те, Sb, Mg, S и другие элементы.
Практическое применение нашли Bi, Те и их сплавы (Bi — Те, Те — Сu) или смеси (Сu — Те, Fe — Те). Эффектив­ность воздействия теллура на подавление графитизации при за­твердевании сильнее, чем висмута, расход его ниже. Обычно присадки Bi или Те составляют от 0,001 до 0,01 % от массы жидкого чугуна.
К модификаторам второго типа относят Аl, В, Ti, Са и дру­гие элементы.
Наибольшее практическое применение нашли Аl и В (в виде ферробора или борного ангидрида). Количество вводи­мого алюминия 0,01—0,03 % от массы жидкого чугуна. В каж­дом случае в зависимости от состава чугуна, условий плавки и других факторов устанавливают оптимальную дозировку алю­миния. Максимальные механические свойства достигаются при 0,01 % Аl . максимальное количество графитных включений при 0,0075—0,015 % Аl.

        Механическая обработка.

Обрабатываемость резанием КЧ в зависимости от материала режущего инструмента и марки КЧ показана в таблице ниже.  Обрабатываемость нелегированной автоматной стали (0,12% С) принимают за 100%, тогда обрабатываемость ферритного КЧ составляет 100—120 %.
 
        СКОРОСТЬ ОБТОЧКИ КЧ РЕЖУЩИМИ ИНСТРУМЕНТАМИ ИЗ РАЗЛИЧНОГО МАТЕРИАЛА

Материал режущего инструмента

Скорость обточки (м/мин) при обработке чугуна

ферритного

перлитного

Инструментальная сталь (с применением эмульсии для охлаждения режущего инстру­мента)
Быстрорежущая сталь (с применением эмуль­сии для охлаждения режущего инструмента)

15-35

8-18

25-60

15-30

Твердый сплав

50-150

30—130

Металлорежущая минералокерамика

250 -300

250-300