17. Ковкий чугун. Схема графитизирующего отжига ковкого чугуна для получения ферритной и перлитной матриц.
Применение. Ковкий чугун – конструкционный материал, широко используемый для изготовления отливок во многих отраслях промышленности: автомобилестроении, вагоностроении и общем, сельскохозяйственном, текстильном, строительном машиностроении.
Ковкий чугун отличается от серого чугуна большей вязкостью и может применяться для отливок, подвергающихся в условиях службы динамическим нагрузкам, а от стали – лучшими литейными свойствами.
Название ковкий чугун получил только потому, что он в отличие от серого чугуна обладает пластичностью. Процессам ковки в прямом понимании отливки не подвергаются.
Особенности производства. Получение отливок из ковкого чугуна состоит из двух самостоятельных этапов:
первый — получение отливок из белого чугуна;
второй — отжиг этих отливок.
В результате отжига происходит графитизация с большей или меньшей степенью обезуглероживания.
Отливки, которые были в литом состоянии хрупкими и твердыми, после отжига становятся (в определенных пределах) пластичными и легкообрабатываемыми. В зависимости от условий и режима отжига структура чугуна может иметь ферритную, перлитную или смешанную металлическую основу с большим или меньшим количеством включений графита (углерода отжига).
В зависимости от характера металлической основы ковкий чугун называют черносердечным ферритным, белосердечным перлитным и перлитным.
Излом ферритного (черносердечного) чугуна темный, бархатистый, с небольшой обезуглероженной светлой поверхностной каймой.
Белосердечный перлитный ковкий чугун имеет преимущественно светлый блестящий излом, что объясняется развитием в нем процесса обезуглероживания во время отжига и степенью графитизации.
Черносердечный ферритный ковкий чугун в отличие от белосердечного перлитного характеризуется большей степенью однородности. Различие в строении этих чугунов определяет и их разные свойства.
Ферритный ковкий чугун характеризуется меньшей твердостью, лучшей обрабатываемостью, более высокими показателями пластических свойств (относительное удлинение и ударная вязкость). Поэтому наибольшее распространение имеет ферритный ковкий чугун.
Перлитный ковкий чугун применяют для деталей, от которых требуется повышенная прочность. Кроме того, он обладает антифрикционными свойствами. Ферритный ковкий чугун применяют при изготовлении отливок с большей толщиной стенок, чем у отливок из белосердечного перлитного чугуна. Перлитный ковкий чугун без обезуглероженного наружного слоя характеризуется подобно ферритному большой степенью однородности (свойств по сечению).
Отливки из ферритного ковкого чугуна. Как отмечалось выше, ферритный ковкий чугун используется для ответственных отливок, от которых в процессе службы требуются повышенные пластические свойства.
Для получения ферритной металлической основы процесс термической обработки (отжиг) должен быть проведен так, чтобы полностью было обеспечено разложение структурносвободного и эквтектоидного цементита. Процесс графитизации ферритного ковкого чугуна складывается из следующих этапов:
1) нагрев;
2) выдержка при температуре выше критической (первая стадия графитизации);
3) промежуточное охлаждение (промежуточная стадия графитизации);
4) выдержка при температуре ниже критической (вторая стадия графитизации);
5) окончательное охлаждение.
На рис. 132 приведен график режима отжига на ферритный ковкий чугун.
Первая стадия графитизации 1—2 проводится обычно при температурах 900–950° С и в течение времени, необходимого для разложения структурносвободного цементита.
Длительность промежуточной стадии графитизации 2—3 определяется конструкцией печи и интенсивностью теплоотвода. В процессе второй стадии графитизации 3—4 происходит разложение эвтектоидного цементита на феррит и углерод отжига. Эта стадия производится при медленном охлаждении со скоростью 3–5°С в час.
Отливки из перлитного ковкого чугуна. При производстве отливок из перлитного белосердечного ковкого чугуна отжиг белого чугуна ведется в окислительной атмосфере, которая создается путем засыпки отливок окалиной (Fе3O4) или повышения окислительной способности печных газов.
На рис. 135 приведен график режима отжига на белосердечный перлитный ковкий чугун, где участок 1—2 характеризует первую стадию графитизации, т. е. распад структурносвободного цементита на аустенит и углерод отжига. В точке 2 структура состоит из аустенита и углерода отжига.
Более высокая температура и большая длительность первой стадии графитизации объясняется необходимостью проведения обезуглероживания. При этом с поверхности отливок удаление углерода происходит по следующей реакции:
Содержание углерода в отливках после проведения первой стадии графитизации будет неравномерным: на поверхности его будет меньше, а в центральных зонах больше.
Вторая стадия отжига (точки 2—3) проводится с относительно большими скоростями охлаждения (около 20—25°С в час), при которых цементит перлита не распадается при эвтектоидном превращении, а остается в окончательной структуре. Так как содержание углерода в отливке неравномерно, то соответственно изменяется и структура. Так, на поверхности она будет состоять из феррита, далее к центру – из феррита перлита и углерода отжига, а в центре – из перлита и углерода отжига.