Процесс получения ковких чугунов. Влияние примесей на процесс графитизации. Применение ковких чугунов

Чугуны с шаровидным графитом.

Высокопрочный чугун получают из обычного серого перлитного чугуна двойным модифицированием: добавкой магния и ферросилиция (рис. 5.4). Под действием магния графит приобретает форму шаров (глобулей), кроме того, магний повышает прочность металлической основы.По ГОСТ 7293–85 высокопрочные чугуны маркируются буквами ВЧ и цифрой – ₂ Высокопрочный чугун применяют вместо стали для изготовления деталей станков, кузнечно-прессового оборудования, работающих в подшипниках при повышенных и высоких давлениях; коленчатых валов, шестерен, муфт и вместо ковкого чугуна для изготовления задних мостов-автомобилей.

Отливки из черно-сердечного ковкого чугуна получают путем графитизирующего отжига отливок из белого чугуна. Они характеризуются повышенными ув и д вследствие образования при отжиге хлопьевидного графита, более компактного, чем в СЧ с пластинчатым графитом. Металлическая основа у КЧ, как и у других чугунов, может быть ферритной или перлитной в зависимости от его химического состава и применяемого режима термической обработки.

Основные преимущества отливок из КЧ заключаются в однородности их свойств по сечению, практическом отсутствии напряжений. КЧ применяется преимущественно для отливок с толщиной стенок 3—50 мм, что связано со стремлением обеспечить безусловное получение структуры БЧ при литье и однородность строения и свойств во всех сечениях отливки. Наибольшую прочность можно получить при высокодисперсном перлите и малом количестве и наибольшей компактности графита, а наибольшую пластичность — при феррите и таком же графите. Несмотря на большое разнообразие номенклатуры изделий и различные области применения, ковкий чугун используют главным образом при получении тонкостенного литья (толщина стенок 3—40 мм). Это связано прежде всего со стремлением обеспечить безусловное получение отбела и однородность свойств во всех сечениях отливки как при первичной кристаллизации белого чугуна, так и в процессе термической обработки. Требование равномерности толщины стенок отливок из ковкого чугуна является обязательным условием обеспечения высокого качества и экономичности производства изделий.

Химический состав ковкого чугуна не регламентируется ГОСТом, а определяется требованиями к его механическим и технологическим свойствам. Основные элементы, с помощью которых регулируются свойства ковкого чугуна, — углерод и кремний, а в производстве перлитного чугуна, кроме того, марганец, хром и др.

Механические свойства ковкого чугуна в значительной мере зависят от общего объема содержащихся в нем включений углерода отжига и поэтому для получения высококачественного сплава следует отдавать предпочтение низкоуглеродистому чугуну (2,4—2,7% С).

Содержание углерода при производстве ковкого чугуна дуплекс-процессом (вагранка—электропечь) находится в пределах 2,2—2,9%, а при ваграночной плавке 2,7—3,1%. Содержание кремния зависит от толщины стенки отливки и определяется допустимыми пределами суммарного содержания углерода и кремния, которое обычно не должно превышать для высококачественного ферритного ковкого чугуна 3,7—3,8%, а для низкосортного (ваграночного) 4,0—4,1%.

Карбидообразующие элементы при большом содержании в чугуне замедляют его графитизацию, некоторые из них (Ti, Та, Zr, Nb) при малом содержании оказывают модифицирующее действие и ускоряют графитизацию. С, Si, А1 — графитизацию ускоряют. Ni и Си — оказывают неоднозначное влияние — ускоряют первую и замедляют вторую стадии графитизации.

Углерод, образуя графитные включения, является основным регулятором механических свойств ковкого чугуна. Наиболее высокими свойствами обладает чугун с пониженным содержанием углерода. Однако этот чугун имеет низкую жидкотекучесть и требует длительного отжига. Для хорошего заполнения литейной формы низкоуглеродистый ковкий чугун необходимо сильно перегревать.

Кремний. Необходимое содержание кремния зависит от многих факторов: количества углерода, толщины стенки, требуемой степени графитизации и т. д. Обычно количество кремния определяется суммой С + Si, которая для высококачественного ферритного чугуна составляет 3,7—3,8%, а для низкосортного 4,0— 4,1%. Высокая сумма С -f- Si может привести к выделению пластинчатого графита при первичной графитизации, что резко понижает механические свойства чугуна. При низкой сумме С + Si даже при весьма длительном отжиге графитизация чугуна полностью не происходит. При содержании кремния до 1,5% механические свойства ковкого чугуна повышаются. Такие же результаты могут быть получены за счет одновременного увеличения содержания кремния и фосфора, однако при этом снижается ударная вязкость. Кремний резко ускоряет графитизацию.

Марганец. Повышает прочность феррита и увеличивает количество связанного углерода. При повышении содержания марганца до 0,8—1,4% увеличивается количество перлита в структуре и прочность чугуна повышается, но резко падают пластичность и ударная вязкость. Марганец снижает температуру эвтектоидного превращения, чем затрудняет 2-ю стадию графитизации и способствует образованию структуры зернистого перлита. При производстве ферритного ковкого чугуна содержание марганца не должно превышать 0,6%, а при производстве перлитного — 1,2%.

Сера. Избыточную серу считали вредной примесью, тормозящей первую стадию графитизации ковкого чугуна. Однако установлено, что избыточная сера, растворяясь в металлической основе, дает возможность получать ковкий чугун с высокими механическими свойствами и компактной формой графита.

Определяющее влияние на структуру и свойства ковкого чугуна оказывает отношение содержания марганца и серы в нем. Установлено, что при отношении Mn: S меньшем 1,7 отливки из белого чугуна даже в весьма массивных сечениях свободны от выделений первичного графита. Скорость распада эвтектических карбидов на первой стадии отжига от отношения марганца к сере зависит незначительно. При отношении Мп: S = 0,8—1,2 перлитная структура сохраняется независимо от длительности второй стадии графитизации, а форма углерода отжига получается шаровидной. С повышением отношения Мп: S наблюдается переход к перлито-ферритной и ферритной структуре металлической основы и уменьшение компактности выделений углерода отжига. Изменение отношения Мп: S от 1,0 до 3,0 позволяет получить всю гамму структур (от перлитной до ферритной) и механических свойств ковкого чугуна по ГОСТу 1215—59, без изменения содержания других химических элементов и технологии производства.

Фосфор. При содержании свыше 0,20% ведет к повышению жидкотекучести чугуна и некоторому увеличению предела прочности при растяжении, но резко снижает ударную вязкость и повышает порог хладноломкости. Фосфор ускоряет первую и замедляет вторую стадии графитизации.

Хром является наиболее сильным замедлителем процесса графитизации ковкого чугуна. Его содержание обычно ограничивают 0,06—0,08%. Повышение количества хрома до 0,1—0,12% приводит к необходимости прибегать к специальным мерам для получения ферритного ковкого чугуна (удлинять отжиг, производить предварительную закалку отливок и др.). Трудности получения ферритного ковкого чугуна при повышенном содержании хрома связаны с образованием сложных карбидов, устойчивых при высоких температурах, и замедлением диффузионных процессов в металлической основе. Широкое использование металлолома, содержащего легированную сталь, при производстве ковкого чугуна приводит к увеличению концентрации хрома в шихте и требует изыскания методов нейтрализации его влияния на процесс графитизации. Так, совместное модифицирование ковкого чугуна алюминием, бором и сурьмой или ферротитаном позволяет получать ферритный и перлитный ковкий чугун, содержащий до 0,2% хрома, с высокими механическими свойствами без удлинения цикла отжига.

Молибден способствует измельчению перлита и графитных включений, увеличивает предел прочности (на 3—7 кГ/мм2 при присадке 0,5% Мо), но затрудняет графитизацию вследствие образования легированного цементита и специальных карбидов. Он влияет аналогично хрому, но слабее последнего. Молибден предохраняет ковкий чугун от хрупкости в интервале температур 300—500° С.

Ванадий. Присадка 0,05—0,10% ванадия позволяет получать износостойкий ковкий чугун с сорбито-перлитной основой. Прочностные характеристики повышаются на 30—40%.

Дата добавления: 2015-04-23