3.9.3. Особенности получения отливок из ковкого чугуна

Ковкий чугун отличается от серого и высокопрочного формой графита, который имеет компактную, но хлопьевидную форму. Такую форму графит приобретает только при разложении цементита при температурах выше А_С1. Поэтому основной особенностью технологии получения отливок из ковкого чугуна является необходимость изготовления сначала их из белого чугуна без включений пластинчатого графита. Для получения чугуна с хлопьевидным графитом и без структурно свободного цемен­тита отливки подвергают отжигу. В зависимости от химического состава чугуна и режима отжига можно получить ферритную, перлитную или перлитно-ферритиую металлическую основу.

Наличие пластинчатого графита в структуре ковкого чугуна не допускается, поэтому увеличение толщины стенок и массы отливки затрудняет получение чисто белого чугуна, поэтому область использования ковкого чугуна ограничивается тонкостенными (до 50 мм) отливками массой в не­сколько десятков килограммов.

Различают два вида ковкого чугуна: черносердечный (с темным бархатистым изломом) и белосердечный (с блестящим светлым изломом). Целью отжига чугуна на черносердечный является разложение структурно свободных карбидов, при этом обезуглероживается только поверхностный слой толщиной до 0,5 мм. Белосердечный ковкий чугун имеет полностью обезуглероженный поверхностный слой и частично обеуглероженные внутренние слои.

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 железоуглеродистыз сплавах повышение прочности всегда сопровождается снижением пластичности.

Перлитный ковкий чугун обладает высокой прочностью и средней пластичностью, отличается хорошими антифрикционными свойствами и высокой износостойкостью. Эти свойства могут быть существенно повышены при дополнительном микролегировании чугуна.

По уровню механических свойств _в,  и а_н (ударная вязкость) ковкий чугун близок к чугуну с шаровидным графитом, а по хладноломкости он его превосходит. Это объясняется низким содержанием кремния в чугуне КЧ (0,9 - 1,6 %) в сравнении с 2,0 - 3,0 мас. У ЧШГ. При содержании кремния в чугуне свыше 2,0 % он, ликвируя на границу эвтектических зерен, охрупчивает их и снижает ударную вязкость при низких температурах.

По ГОСТ 1215-79 регламентированы минимально допустимые значения _в,  и НВ (табл. 3.9.16).

Таблица 3.9.16. Марки и механические свойства ковкого чугуна (ГОСТ 1215-79)

Марка		в, МПа			, %		НВ	Класс чугуна
			не менее
КЧ 30-6	294			6			100-163	Ферритный
КЧ 33-8	323			8			100-163	- « -
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	- « -
КЧ 55-4	539			4			192-241	- « -
КЧ 60-3	588			3			200-264	- « -
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 КЧ определяют на литых образцах диаметром 16 мм, в зависимости от толщины стенки отливок допускается применение образцов диаметром 8 и 12 мм. Расчетная длина для определения относительного удлинения, как правило, трехкратная.

Обрабатываемость резанием КЧ, особенно ферритного, лучше, чем ЧШГ или стали с одинаковым содержанием связанного углерода отжига, который облегчает излом стружки и служит смазкой режущей кромки инструмента.

Так, например, если принять обрабатываемость резанием автоматной стали за 100 %, то обрабатываемость ферритного КЧ составляет 100 - 120 %, перлитного с твердостью НВ 190 - 240 – 70 - 90 %.

Обезуглероженный КЧ является единственным конструкционным чугуном, который хорошо сваривается и может быть использован для получения сварно-литых конструкций.

Ковкий чугун хорошо поддается запрессовке, расчеканке и легко заполняет зазоры. Отливки из ферритного КЧ можно подвергать холодной правке, из перлитного – в горячем состоянии.

Литейные свойства КЧ.

Ковкий чугун имеет пониженные литейные свойства: жидкотекучесть ниже, чем у СЧ и ЧШГ, но выше, чем у 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 недопустимых пластинчатого и точечного междендритного графита.

Объем усадочных раковин при затвердевании белого чугуна составляет 4,0 - 6,5 % и зависит от податливости литейной формы. Поэтому для получения плотных отливок из КЧ при разработке конструкции отливок предусматривают направленность затвердевания и хорошее питание прибылями.

Литейная усадка отливок из ферритного КЧ при содержании углерода 2,5 - 2,9 мас. % и толщине стенки до 20 мм составляет около 0,5 %, а при большей толщине усадка снижается до 0 %. Литейная усадка перлитного КЧ на 0,5 % больше усадки ферритного.

Значительные величины доперлитной усадки белого чугуна и модуля упругости в сочетании с хрупкостью создают литейные напряжения и склонность к образованию горячих и холодных трещин, что учитывают при конструировании отливок и разработке технологии литейной формы. Это ограничивает получение сложных по конструкции отливок.

Физические свойства КЧ

Плотность ковкого чугуна зависит от соотношения структурных составляющих – феррита, перлита, графита, цементита и мартенсита (после термообработки), имеющих плотность 7860; 7780; 2250; 7630; 7660 г/м³ соответственно. Белый чугун имеет наибольшую плотность, после отжига она снижается, оставаясь наибольшей в обезуглероженом КЧ. С повышением содержания углерода и кремния плотность КЧ уменьшается.

Коэффициент теплового расширения КЧ всех марок отличается незначительно.

Коэффициент теплопроводности достаточно высок, особенно для ферритного класса КЧ, и превышает теплопроводность стали, серого чугуна и ЧШГ. Из структурных составляющих максимальную теплопроводность имеет графит, однако из-за анизотропности графита теплопроводность КЧ колеблется в больших пределах, а графит шаровидной формы снижает теплопроводность ЧШГ.

Электрические и магнитные свойства. Электросопротивление КЧ определяется формой графитных включений, структурой металлической основы и составом. Пластинчатый графит, перлит и повышенное содержание кремния (большинства легирующих элементов) повышают электросопротивление чугуна. Электросопротивление ковкого чугуна примерно в 3 и 1,5 раза меньшее, чем у СЧ и ЧШГ соотвественно.

Ферритный КЧ, по сравнению с перлитным, имеет более высокую магнитную проницаемость, магнитную индукцию и минимальные остаточную индукцию и коэрцитивную силу.

Служебные свойства

Износостойкость КЧ определяется микроструктурой (количеством и типом перлита), неметаллическими (сульфидными, оксидными, нитридными) включениями и зависит от условий трения – наличия и качества смазки, зазоров между валом и подшипником, материала вала.

При работе чугунного образца из КЧ по сырому стальному со смазкой лучшими антифрикционными свойствами обладает перлито-ферритный КЧ при 60 - 70 % перлита и НВ 187 - 197. В контакте с закаленным стальным образцом наименьший износ у образца из перлитного КЧ при 90 - 100 % перлита и НВ 220 - 260. Перлитный КЧ со смазкой успешно работает при давлении до 3 МПа, но быстро изнашивается при сухом трении.

Коэффициент трения перлитного КЧ при трении со смазкой равен 0,05 - 0,10, но при сухом трении – 0,3 - 0,45. В условиях сухого трения хорошие результаты показывает перлитный КЧ с повышенным содержанием серы до 0,25 – 0,30 % S.

Герметичность КЧ, имеющего компактные включения графита отжига, высокая. Отливки выдерживают гидравлическое давление 4 МПа при толщине стенки 7 - 8 мм, а фитинги из обезуглероженного КЧ – до 60 МПа.

Коррозионная стойкость КЧ определяется множеством факторов: химическим составом, структурой поверхностного слоя, плотностью, температурой и агрессивностью коррозионной среды. Электрохимическую коррозию создают гальванические пары феррит-графит (ЭДС= 0,564 В) и феррит-цементит (ЭДС ниже). Она усиливается с повышением дисперсности структурных составляющих и увеличением рыхлот и неметаллических включений. Поэтому обезуглероженная однофазная поверхность отливок из КЧ хорошо сопротивляется атмосферной коррозии.

Область применения КЧ

Масса производимых отливок колеблется от нескольких граммов до 250 кг, минимальная толщина стенок 3 мм, максимальная для обезуглероженного чугуна - 25 мм.

Отливки из ковкого чугуна используются во многих отраслях промышленности благодаря комплексу присущих им свойств. Механические свойства КЧ близки к свойствам литой стали и ЧШГ. КЧ обладает высоким сопротивлением ударным нагрузкам при комнатной и низких температурах и более высокой износостойкостью, чем ЧШГ. Они хорошо обрабатываются резанием и свариваются. Поэтому ковкие чугуны сохранят в ближайшие годы свое применение, особенно для производства мелких отливок, сварных конструкций, несмотря на склонность КЧ к образованию трещин и энергоемкость получения готовых отливок.

Термическая обработка отливок из КЧ

При производстве отливок из ковкого чугуна применяют три вида термической обработки: графитизирующий отжиг, улучшение структуры и устранение дефектов структуры.

Задачей термической обработки первого рода является получение отливок с требуемой структурой металлической матрицы: ферритной, ферритно-перлитной в различных их количественных сочетаниях или перлитной, причем с перлитом различной формы, дисперсности и плотности в соответствии с требованиями к структуре и свойствами ковкого чугуна различных марок. При графитизирующем отжиге в металлической основе чугуна присутствуют включения углерода отжига хлопьевидной, компактной или шаровидной формы. При обезуглероживающем отжиге в структуре отсутствуют включения углерода отжига по всему сечению отливки или в поверхностном слое.

Термическая обработка второго рода предусматривает улучшение основной структуры отливок ковкого чугуна, повышение прочности и износостойкости следующими методами: закалка с высоким отпуском, нормализация, старение, поверхностная закалка токами высокой частоты или пламенная, а также химико-термическая обработка (азотирование, сульфидирование).

Термическая обработка третьего рода предназначена для устранения дефектов структуры, возникающих при термической обработке первого или второго родов, а также транскристаллического хрупкого излома в отливках при нарушении режимов их охлаждения после термической обработки.

Графитизирующий отжиг отливок из белого чугуна

Наиболее часто применяют процесс полной графитизации белого чугуна в нейтральной или слабо окислительной среде, в результате получается ферритный ковкий чугун – черносердечный по виду излома, а частичное обезуглероживание происходит попутно за счет окисления углерода.

Типичный режим отжига отливок на ферритный ковкий чугун (рис. 3.9.4) состоит из пяти периодов.

Рис. 3.9.4. Типовой график отжига ковкого чугуна

I период – нагрев белого чугуна (П + Ц₁) до 930 - 970 ^оС, т.е. значительно выше критической линии Ас₁ (эвтектоидная линия). Скорость нагрева или время, в течение которого достигается заданная температура в отливке при проведении первичной стадии графитизации, влияют на процесс отжига и физико-механические свойства чугуна.

Если центров графитизации (N_вкл) в чугуне менее 15 на 1мм², то он трудно поддается графитизации при высокотемпературной выдержке (первичная графитизация). Если центров более 150 на 1мм², то механические свойства чугуна будут низкими из-за избыточного количества углерода отжига. Оптимальным количеством центров графитизации для обеспечения необходимой скорости графитизации и требуемых механических свойств можно считать примерно 80 - 90 на 1мм².

При быстром нагреве число образовавшихся центров графитизации на единицу площади по объему может быть недостаточным и скорость протекания процесса замедляется. Кроме того, при ускоренном нагреве возможно образование трещин в сложных отливках со стенками различной толщины. Обычное время нагрева отливок до температуры первичной графитизации при ускоренном режиме составляет 3 - 5 ч.

В отдельных случаях для увеличения числа центров графитизации в интервале температур 300 - 600 ^оС осуществляют низкотемпературную остановку (НТО) или замедленное повышение температуры (скорость не более 50 ^оС/ч).

II период. Высокотемпературная выдержка при 930 - 970 ^оС (первичная графитизация). На этой стадии происходит распад первичного цементита (Fe₃C  3Fe_ + C) с образованием аустенита и углерода отжига (графита). Продолжительность (и температурный интервал) I стадии графитизации зависит от содержания графитизирующих элементов (в первую очередь от содержания C и Si), а также от сечения и массы отливок (при стабилизации температуры отжига эти факторы не влияют). Поэтому в принципе температурно-временной режим первичной графитизации зависит от химического состава отбеленного чугуна (исходного продукта). Понижение температуры выдержки увеличивает продолжительность процесса, повышение – способствует короблению отливок и нежелательному укрупнению аустенитных зерен и углерода отжига и ухудшению его формы. Время выдержки при рекомендуемых температурах для полного распада цементита первичного составляет 6 - 12 ч. После завершения первичной графитизации структура чугуна состоит из аустенита и углерода отжига.

III период. Практикой установлено, что скорость охлаждения до температуры 760 - 740 ^оС (выше Аr₁- температуры структурного превращения) зависит от типа применяемой термической установки (печи). В периодических печах, например колпакового типа, длительность охлаждения составляет 3 - 4 ч, но зависит от величины садки. В печах такого типа охлаждение происходит с помощью циркуляции холодного воздуха в радиационных трубах. В методических проходных печах размер садки (горшка) сравнительно невелик и охлаждение от 950 до 760 ^оС осуществляется за 10 - 30 мин.

IV период. Отливки охлаждаются медленно со скоростью не более 5 ^оС/ч вплоть до 700 ^оС, т.е. ниже Ar₁. При температуре 700 ^оС структура чугуна состоит из перлита (А  П при переохлаждении ниже Ar₁) и графита. Процесс распада цементита вторичного (Ц_II), находящегося в составе перлита (П = Ф + Ц_II), может происходить изотермическим способом (низкотемпературная выдержка – вторичная графитизация) или при непрерывном медленном охлаждении (Fe₃C  3 Fe_ + C). Есть мнение, что на этом периоде аустенит может распадаться на феррит (А  Ф + графит), минуя перлитное превращение. Продолжительность вторичной графитизации составляет 8 - 15 ч. Варьирование химического состава допускает увеличение скорости охлаждения садки до 8 ^оС/ч.

V период. Окончательное охлаждение отливок до 550 - 600 ^оС, т. е. до температуры, при которой отливки выгружают из печи. Охлаждение отливок после полного цикла отжига должно происходить достаточно быстро, за 3 - 5 ч. Медленное охлаждение, особенно в интервале 600 - 400 ^оС, способствует возникновению белого излома, т.е. повышению хрупкости без видимых изменений структуры чугуна. После завершения полной графитизации (I и II стадии графитизации) образуется ферритный ковкий чугун.

Существует два механизма графитизации белого чугуна. По первому механизму процесс графитизации начинается в результате сублокального распада цементита, а по второму – графит зарождается в аустените и на поверхности раздела фаз аустенит-цементит.

Изучение дислокационной структуры цементита методом термического травления позволило установить, что при 200 ^оС в цементите появляются ямки травления. При дальнейшем нагреве в них появляется графит. Интенсивное развитие процесса наблюдалось при 600 ^оС и выше, образование графита сопровождалось зарастанием дислокационных ямок в цементите. Это позволило предположить, что центрами зарождения графитной фазы являются дислокации, с увеличением плотности которых процесс графитизации интенсифицируется.

Известно, что изолированный цементит графитизируется медленнее, чем цементит высококремнистого чугуна, несмотря на то, что кремний не растворяется в цементите. Графитизация же низкокремнистого чугуна происходит медленнее, чем изолированного цементита. Это привело к заключению о решающем значении твердого раствора (аустенита) в процессе графитизации белого чугуна. Исследование зарождения графита в чугунах с содержанием 1,0 - 1,5 мас. % Si позволило обнаружить высококремнистые фазы, например SiC с содержанием 66 - 67 мас. % Si. Выяснилось, что SiC может распадаться только при разбавлении атомами железа. Механизм образования графита при отжиге модифицированного кремнием чугуна можно представить в виде

Fe3C + FeSi  SiC + 4Fe; Fe3C + Si  SiC + 3Fe; SiC + Fe  Fe3Si + C.

При низком содержании кремния идет процесс прямого распада Fe₃C. Данный процесс ускоряется при наличии мелкодисперсных графитных комплексов и неметаллических включений, изоморфных с графитом.

В высококремнистых (1,0 - 1,5 мас.% Si) белых чугунах предполагается зарождение центров кристаллизации графита из-за распада карбида SiC. Данный процесс облегчается при наличии изоморфных с графитом неметаллических включений.

Результаты исследования процесса зарождения графита при термической обработке (отжиге) белого чугуна позволяют сделать следующие выводы:

1. Зарождение графитных включений происходит на границе раздела феррит-карбид (при температурах ниже Ar₁) и аустенит-карбид (при температурах > Ac₁ или Ac₃).

2. Лимитирующим звеном процесса графитизации, по-видимому, может стать сопротивление металлической основы росту графитных включений, так как графит зарождается и растет на межзеренных поверхностях, где силы связи ослаблены по сравнению с силами связей внутри зерна.

Разложение цементита происходит значительно быстрее в поверхностных слоях и замедляется по направлению к центру отливки. Это объясняется большими напряжениями сжатия, возникающими в сердцевине отливки, понижающими метастабильность цементита и тем самым препятствующими образованию центров графитизации.

Влияние различных факторов на графитизацию и структуру отливок из КЧ

Факторы, влияющие на распад цементита и образование центров графитизации, весьма разнообразны. Большое значение имеют содержание и характер распределения основных элементов и примесей, температура и исходная среда, и ее подготовленность к графитизации, протяженность поверхностей структурных составляющих и др.

На графитизацию и структурообразование в ковком чугуне оказывает влияние химический состав.

Углерод является составной частью цементита и сложных карбидов. Чем больше углерода, тем легче графитизируется чугун. Многие исследователи считают, что по графитизирующей способности углерод находится между Al и Si, а некоторые отрицают его графитизирующую способность. Существует экспериментальный факт, что в синтетических чугунах (карбонильное железо + реакторный графит) цементит практически не разлагается с образованием графита, только после пластической деформации отбеленного чугуна цементит начинает распадаться. Поэтому положительное влияние углерода на процесс графитизации рассматривают в связи с содержанием кремния.

Благоприятное влияние углерода на графитизацию следует объяснять увеличением протяженности границ между цементитом и аустенитом и ферритом и цементитом при температурах ниже Ar₁, вдоль которых возникают центры графитизации (рис. 3.9.5).

Рис. 3.9.5. Влияние углерода на число центров кристаллизации N_вкл ковкого чугуна:

1 – с предварительной обработкой при 350 ^оС в течение 4 ч;

2 – без предварительной обработки

Кремний принадлежит к числу наиболее сильных графитизирующих элементов. В присутствии кремния метастабильность цементита белого чугуна резко увеличивается вследствие повышения его свободной энергии, что приводит к увеличению числа центров графитизации вследствие распада цементита на междендритных границах благодаря микроликвации кремния. Проведение низкотемпературной обработки (НТО) сокращает цикл отжига на первой стадии графитизации в связи с увеличением числа зародышей графита (рис. 3.9.6).

Увеличение содержания кремния сдвигает на диаграмме Fe-Fe₃C точку перлитного превращения влево и вверх, повышает температурную область вторичной графитизации, что позволяет увеличить скорость охлаждения, при которой во время вторичной графитизации можно получить полностью ферритную структуру. В практике производства ковкого чугуна принято пользоваться соотношением между С и Si. Под этим соотношением понимают термин углеродного эквивалента С_экв= % С + 1/3 % Si. Для отливок из ковкого чугуна обычно С_экв 3,0 мас. %.

Рис. 3.9.6. Влияние Si на графитизацию ковкого чугуна:

1 – с предварительной обработкой при 350 ^оС в течение 4 ч; 2 – без предварительной обработки

Соотношение между С_экв и минимально необходимым количеством включений графита N_вкл определяет процесс отжига отливок различных сечений (20 - 50 мм), рис. 3.9.7.

Рис. 3.9.7. Зависимость между С_экв и N_вкл для различных сечений отливок:

1 – d=20 мм; 2 – d=50 мм

Марганец и сера присутствуют в ковком чугуне в виде соединения MnS, (Mn, Fe)S и др., которые находятся в металле обособленными фазами, не влияя на свойства последнего. Считают, что мелкодисперсные включения сульфидов марганца могут служить подкладкой для возникновения центров графитизации. Для связывания серы содержание марганца назначают в 3 раза больше или Mn, мас. % = 2 мас. % S + (0,15 - 0,20). Отношения Mn/S влияет на количество центров графитизации (рис. 3.9.8). Избыточное содержание Mn уменьшает, а S увеличивает число центров графитизации.

Увеличение содержания марганца до 0,8 - 1,0 мас. % является эффективным способом предотвращения образования феррита в отожженных отливках, а также способствует увеличению прокаливаемости перлитного чугуна.

Рис. 3.9.8. Влияние отношения Mn/S на число центров кристаллизации

1 – с предварительной обработкой при 350 ^оС в течение 4 ч; 2 – без предварительной обработки

Содержание фосфора в ковком чугуне рекомендуется поддерживать в малых количествах (< 0,2 мас. %), оно практически не влияет на процесс графитизации. Увеличение содержания фосфора в чугуне более 0,2 мас. % вызывает повышенную хрупкость с характерным изломом, проходящим через зерна феррита и являющимся дефектом ковкого чугуна.

Хром является сильным карбидообразующим и антиграфитизирующим элементом. В чугуне должно быть не более 0,06 мас. % Cr. При содержании хрома в чугуне 0,1 мас. % увеличивается продолжительность I и II стадий графитизации. Для нейтрализации Cr в металле применяют 0,001 мас. % В на содержание каждого избыточного Cr 0,01 мас. %.

Никель и медь ускоряют процесс графитизации и по своему графитизирующему действию близки к кремнию. Ni и Cu, при одновременном ускорении первой стадии графитизации, снижают температуру эвтектоидного превращения и содействуют увеличению количества перлита при проведении II стадии графитизации, т.е. они являются перлитизаторами, в отличии от кремния.

Молибден при содержании в чугуне до 0,5 мас. % не оказывает тормозящего влияния на I стадию графитизации, однако существенно улучшает механические свойства ковкого чугуна аналогично никелю и меди.

Олово и сурьма тормозят II стадию графитизации и не влияют на I стадию.

Алюминий, бор (рис. 3.9.9), титан, цирконий ускоряют графитизацию увеличивая число центров графитизации при малых содержаниях их в чугуне.

Рис. 3.9.9. Влияние присадок бора (а), алюминия (б) на число графитных включений: