Як формується структура ковкого чавуну

Чавун - сплав заліза з вуглецем (від 2,14% до 4-5% вуглецю), що застосовується в промисловості, сантехніці і опаленні, використовуваний в господарському побуті. Чавуни дешевше стали (також сплав заліза з вуглецем), мають кращі ливарні властивості, велику теплову інертність, тому широко застосовуються в різних галузях машинобудування.

Залежно від технології виготовлення в структурі сплаву формуються дві різні вуглецеві форми: графіт або цементит. Присутність того чи іншого виду вуглецевого включення визначає вид чавуну і його властивості. Сірий чавун містить вільний вуглець (графіт), він є ливарним. Він характеризується достатньою пластичністю, що дозволяє виконувати його механічну обробку.

Для білого чавуну, що містить повязаний вуглець (цементит), характерна висока твердість і наступна за нею зносостійкість, він крихкий і погано обробляється механічним різанням. Він є основою для отримання ковкого виду, що обєднує в собі властивості міцності і пластичності. Яка обробка призводить до перетворення білого чавуну в ковкий і за яких технологічних операціях формується структура ковкого чавуну?

Види сплавів: білий і сірий

Структура чавуну білого формується завдяки швидкому охолодженню при затвердінні. При такій технології розчинений при високих температурах вуглець не встигає виділитися в окрему структурну складову і залишається в повязаному вигляді (цементит або карбід заліза Fe₃C). Його присутність визначає властивості твердості, зносостійкості і крихкості.

Оскільки швидкість охолодження відіграє визначальне значення для формування структури, важлива товщина виливків. При занадто великому перерізі (більше 50 - 60 мм) важко відрегулювати необхідну швидкість охолодження і отримати необхідну безграфітную структуру по всій товщині.

Білі сплави часто називають передільними, оскільки самі по собі вони не застосовуються, а служать проміжним сплавом, який або віджигається в ковкий чавун (КЧ), або переплавляється в сталь.

Технологія отримання сірого чавуну передбачає повільне охолодження при затвердінні плюс додаткове модифікування кремнієм в розмірі 1-3% (кремній підсилює графітизацію), що дозволяє розчиненого графіту виділитися у вигляді окремих включень.

Структура чавуну з отриманими графітними включеннями формує меншу (ніж при цементиті) твердість матеріалу і дозволяють обробляти його різанням. Форма і дисперсність графіту, структура металевої основи визначають властивості і види матеріалу чавунного сплаву: сірий (СЧ), високоміцний (ВЧ).

Ковкий чавун: властивості і структура

Ковкий вид чавуну не обробляється тиском, над ним не виконується кування. Назва «ковкий чавун» повязано з підвищеною пластичністю і вязкістю.

Для отримання оптимального поєднання міцності і пластичності використовується технологія тривалого відпалу виливків (від 50 до 120 годин) при температурі 900 - 1050 C. Товщина стін виливків повинна бути менше 50 мм. При цьому наявні цементітовие включення розпадаються на вільний вуглець і ферит (залізо).

Процес розпаду цементиту, званий графітизацією, може бути повним або неповним. При повному розпаді структура чавуну звільняється від усіх включень цементиту, які спочатку розчиняються в аустените (високотемпературна модифікація заліза) і потім виділяються у вигляді графіту. Повна графитизация чавуну і перетворення литого матеріалу в ковкий чавун відбувається при тривалій витримці і повільному охолодженні.

Плавне охолодження забезпечує пластівчасту форму вуглецю в структурі ковкого чавуну. На відміну від пластинчастої форми графіту, що є концентратором напружень і джерелом руйнування, що забезпечує крихкість чавуну, пластівчаста форма не послаблює структуру металевого сплаву. Пластівчастий графіт формує необхідну для ковкого чавуну пластичність і вязкість.

Більш пластичної буде структура з кулястими вуглецевими включеннями, властивими високоміцному сплаву. Високоміцні чавуни отримують з сірого чавуну модифікацією (легированием) лужно-земельними металами (добавками магнію, церію).

Таким чином, в результаті тривалого відпалу і повільного охолодження тонкостінних виливків формується структура, для якої характерні мяка феритної основа і компактні графітні включення.

Така структура чавуну характеризується гарну зносостійкість, достатню міцність на удар, добре обробляється різанням і тому широко застосовується в різних промислових сферах.

Товстостінні виливки (більше 50 мм) формують не тільки пухкі, але і пластинчасті графітні включення. Така структура гірше забезпечує повний комплекс механічних властивостей ковкого матеріалу.

Відпал: технологія і фазові перетворення

За одержуваної структурі ковкий вид матеріалу ділять на білосердечної (перлітний) і черносердечний (феритний) матеріал. Перлітний є більш твердим і зносостійким, а феритний - міцнішим і вязким. Структура чавуну ковкого (ферит або перліт + графітні включення) визначається особливостями відпалу, температурою і часом витримки (томління) в печі.

Від структурних складових і їх форми залежать властивості готового матеріалу. Структура чавуну для повноцінного відпалу з отриманням необхідних властивостей не повинна містити в собі виділень вільного графіту, повинна бути «вибіленої» по всьому перетину. Для цього в сплаві обмежують кількість вмісту кремнію, що сприяє графітизації.

перлитная основа

Білосердечної (перлітний) ковкий чавун отримують обезуглероживающего відпалом виливків в порошку залізної руди. Популярність цієї технології в минулому пояснюється підвищеним вмістом вуглецю в Вагран відливання (3,4 - 3,6%).

Сучасна плавка в вагранке дає менший вміст вуглецю (до 3%).

Для перлитного ковкого чавуну використовуються виливки білого чавуну, що містять вуглець в кількості 3,0 - 3,6%, технологічні добавки кремнію, марганцю, фосфору, сірки. Їх розміщують в коробах і засипають свіжим рудним порошком або окалиною. При відпалі в залізній руді формується окислювальна середовище, і вуглець частково вигоряє (окислюється). Поверхневий шар на глибині до 2 мм виявляється повністю зневуглецьована.

Отримується литий виріб має міцність до впливу розривають і втомних навантажень, близьку до стали, підвищену зносостійкість. Виливок після обезуглероживания формує різні властивості уздовж перетину: менша твердість на поверхні і велика в серцевині.

Нагрівання виконується в одну стадію: до 1000 C, потім слід режим (від 60 до 100 годин) і повільне безперервне охолодження разом з піччю. Формована "біло-сердечних" структура складається з перліту, який на зламі має сріблястий білий колір.

На наведеному нижче Зображенні 2 структура перлитного ковкого матеріалу відповідає фото «а».

феритної основа

Черносердечний (феритний) ковкий чавун (фото «б» на наведеному зображенні) віджигається без присутності руди.

Для захисту від окислення виливки засипають піском або шамотом, можливо, сталевий стружкою. Такий відпал називають графітізірующего.

Для отримання ферритного ковкого чавуну важлива структура вихідної виливки і хімічний склад сплаву. Феритний черносердечний матеріал отжигают з білого, що містить вуглець в кількості 2,4 - 2,8%, а також добавки кремнію, марганцю, сірки і фосфору. Такі маловуглецеві сплави плавляться при підвищених температурах (в порівнянні з середньовуглецевих), тому для їх плавки застосовується дуплекс - процес.

На першій стадії при температурній витримці 900 - 1050 C розпадається вуглець цементиту (час витримки 10-15 годин). На другому етапі при 720 - 760 C розпадається перліт з виділенням вільного фериту і графіту, час витримки 25 - 30 годин.

Таким чином, структура чавуну після двох стадій відпалу містить ферит і вільний пластівчастий графіт. Злам зерен фериту має темно-сірий колір, тому такі чавуни отримали назву черносердечних. Черносердечний ковкий чавун характеризується хорошою вязкістю, що дає можливість обробляти його механічним впливом (на ріжучому верстаті). Щільність лиття і невеликі ливарні напруги дозволяють лити з ковкого виду тонкостінні деталі з товщиною стінок від 4 до 40 мм.

За механічним і литним властивостями ковкий вид матеріалу краще інших видів сплавів, але гірше стали.

Феритної структура має невелику твердість і зносостійкість, але характеризується хорошою вязкістю і міцністю. Такий матеріал замінює сталь в невідповідальних вузлах.

Увага, тільки СЬОГОДНІ!