Monday, Dec 11th

Last update08:30:58 AM GMT

Ковкий чугун

( 3 Votes )

Ковкий чугун получают графитизирующим отжигом белого чугуна определенного состава по содержанию основных элементов и примесей.

В зависимости от режима термической обработки структура ковкого чугуна может состоять из феррита + углерод отжига, перлита или других продуктов распада аустенита (сорбита, троостита, игольчатого троостита, мартенсита и т.п.) + углерод отжига.

Ковкий чугун, полученный путем обезуглероживающего отжига, со структурой феррита в поверхностном слое и перлита + углерод отжига в сердцевине сечений отливки, в настоящее время утратил промышленное значение и не рассматривается.

Графитизация белого чугуна происходит при специальной термической обработке - отжиге.

Для получения ферритного и перлитного ковкого чугуна отжиг отливок ведут в нейтральной среде; основным процессом является графитизация, а обезуглероживание имеет ограниченные размеры и происходит попутно.

При отжиге отливок в защитной атмосфере наружный обезуглероженный и следующий за ним слой со структурой перлита отсутствует.

Свойства ферритного ковкого чугуна зависят от содержания углерода и кремния.

При конструировании рекомендуется ограничивать размеры сечений в отливках при плавке двойным процессом вагранка - электропечь - 30-40 мм, при плавке в вагранке - 20-30 мм. При модифицировании исходного белого чугуна присадками теллура и особенно магния максимальный размер сечений отливок может быть значительно увеличен - до 100-120 мм.

Минимальная толщина сечений отливок из ковкого чугуна в зависимости от их конфигурации и состава чугуна принимается в пределах 2,5-8 мм.

Усадка белого чугуна зависит от содержания в нем углерода.

В таблице 30 приведены размеры объемной усадки стали, белого и серого чугуна при перегреве расплавленного сплава на 100оС, в таблице 31 - величина линейной усадки в твердом состоянии.

Вследствие большего модуля упругости и меньшей теплопроводности величина напряжений в отливках белого чугуна значительно выше, чем в отливках серого чугуна, а вследствие меньшей прочности и теплопроводности - больше, чем в стальных отливках. Поэтому при проектировании следует предпочитать конструкции со свободной усадкой и избегать резких переходов между различными сечениями отливки, вызывающих концентрацию напряжений и пониженную усталостную прочность.

Таблица 30. Объемная усадка в %

Сплав

В жидком состоянии

При затвердевании

Общая

Сталь

1,6

3

4,6

Белый чугун*

2-2,3

4,6-3

6,6-5,3

Серый чугун

2,5

0,9

1,4

 * В зависимости от содержания углерода

Таблица 31. Линейная усадка в %

Сплав

Доперлитная

Перлитная

Полная в твердом состоянии

Сталь

1,2

1

2,2

Белый чугун*

0,3

1

1,3

Серый чугун

0

1

1

 Остаточные напряжения в отливках из ковкого чугуна вследствие длительной термической обработки значительно меньше, чем в отливках из стали и серого чугуна, и не превышают 0,5 кГ/мм2.

При термической обработке отливки ковкого чугуна увеличиваются в объеме в зависимости от содержания углерода (примерно на 50% от величины усадки).

Сопротивление статистическими нагрузками. Механические свойства ковкого чугуна зависят от свойств основной металлической массы, принимающей на себя почти все силовое поле и в меньшей мере ослабленной включениями графита по сравнению с серым чугуном. Прочность графита очень мала, и площадь его включений обычно исключается при расчетах (таблице 32)

32. Влияние включений графита на силовое поле в чугуне

Показатель

Серый чугун

Ковкий чугун

Уменьшение площади основной металлической массы а = Ест / Ечуг

До 3

1,15

Надрезающие действия включений графита B = σст / σчуг

1,2-2

1,15-1,6

 Главное преимущество ковкого чугуна по сравнению с серым заключается в его пластичности. Диаграммы деформацией при растяжении образцов различных сортов ковкого чугуна характеризуют его упругие и пластические свойства. Так как область текучести незначительна, при испытаниях ковкого чугуна определяют условный предел текучести σ0,2.

Общая зависимость предела прочности при растяжении σв от относительного удлинения δ ковкого чугуна различна для его отдельных сортов.

Для ферритного ковкого чугуна увеличение σв всегда связанно с увеличением пластичности. Предела пропорциональности изменяется с изменением величины предела прочности при растяжении; соотношение этих величин

σпц / σв = 0,65 / 0,75

В соответствии с малой изменяемостью структурных составляющих ферритного ковкого чугуна - графита и феррита - механические его свойства могут быть надежно улучшены главным образом снижением содержания углерода и практически не зависят от изменений величины включений графита.

Таблица 33. Марки и механические свойства ковкого чугуна

Марки ковкого чугуна

Временное сопротивление разрыву в кГ/мм2 (не менее)

Относительное удлинение в % (не менее)

Твердость НВ (не менее)

КЧ 30-6
КЧ 33-8
КЧ 35-10
КЧ 37-12
КЧ 45-6
КЧ 50-4
КЧ 56-4
КЧ 60-3
КЧ 63-2

30
33
35
37
45
50
56
60
63

6
8
10
12
6*
4
4
3
2

163
163
163
163
241
241
269
269
269

 * С согласия заказчика допускается понижение относительного удлинения на 3%.

По ГОСТ 1215-59 ковкий чугун подразделяется по маркам (таблица 33)

Перлитный ковкий чугун является одним из прочных сортов чугуна и по структурному составу и механическими свойствами близко подходит к стали; с увеличением σв относительное удлинение снижается.

Количество связанного углерода в перлитном ковком чугуне изменяется в пределах 0,3-0,8% в зависимости от температуры нормализации, скорости охлаждения и условий термической обработки области эвтектоидных превращений.

Эти факторы определяют и структуру основной металлической массы перлитного ковкого чугуна, которая может меняется от пластинчатого и зернистого перлита до сорбита, мартенсита, а в некоторых случаях и с дисперсными включениями цементита.

Дальнейшее улучшение свойств перлитного ковкого чугуна достигается его легированием и модифицированием, присадками титана, алюминия, бора, висмута или сурьмы в различных сочетаниях.

Присутствие феррита в структуре перлитного ковкого чугуна ухудшает его свойства, так как влечет за собой резкое снижение прочности (σв) при незначительном увеличении пластичности (δ). Когда основная металлическая масса чугуна становится перлитной, незначительное снижение пластичности при стабилизации, сфероидизации и пр. приводит к значительному увеличению прочности.

Особое место занимает термически улучшенный ковкий чугун, закаленный и отпущенный, отличающийся высокой однородностью свойств как в отдельных сечениях, так и во всей партии.

Сопротивление динамическим нагрузкам. Динамические свойства качественного ферритного ковкого чугуна характеризуются следующими данными. Ударная вязкость при сечении образца 10Х10 мм с клиновым вырезом глубиной 2 мм ан = 2кГ*м/см2, при вырезе глубиной 5 мм с радиусом закругления 0,5 мм ан = 0,8кГ*м/см2. Динамическая вязкость (предел выносливости) σ-1 = 17 кГ/мм2. Отношение предела выносливости к пределу прочности при растяжении

σ-1 / σвр = 0,5

Ударная вязкость резко снижается при появлении белого интеркристаллитного излома, которого можно избежать весьма ускоренным или очень замедленным охлаждением после отжига в интервале температур 650-450оС

Предел выносливости ферритного ковкого чугуна в 1,2-2 раза меньше, чем стали, и в 4-6 раз больше чем серого чугуна; он зависит от асимметричности нагрузок и повышается при отрицательных величинах средних напряжений. Поэтому отливки, работающие при повторно-переменных растягивающее - сжимающих усилиях, следует подвергнуть предварительному сжатию без растягивающих напряжений при периодических нагружениях.

Предел выносливости ферритного ковкого чугуна равен 12-16 кГ/мм2 и специальных малоуглеродистых легированных перлитных ковких чугунов 30-35 кГ/мм2.

Состояние поверхности ковкого чугуна оказывает влияние на величину предела выносливости, чем у стали. Удаление поверхностного слоя ферритного чугуна повышает динамическую вязкость на 15-25% (таблица 34)

Таблица 34. Относительное влияние механической обработки на свойства ковкого чугуна

Состояние поверхности

Статистические свойства

Динамические свойства

σв

δ

ан

σ-1

Литая

1

1

1

1

Механически обработанная

0,95

0,3

0,75

1,3

 Коэффициенты усталостной прочности для железоуглеродистых сплавов при различных видах нагрузок даны в таблице 35.

Таблица 35. Коэффициенты усталостной прочности

Напряжения

Сталь

Ковкий чугун

Серый чугун

σ-1
σ-1p
t-1k

1.00
0.70
058

1.00
0.60
0.70

1.00
0.50
0.80

Примечание. Ковкий чугун превосходит сталь при кручении, а серый чугун при растяжении - сжатии.

Технологические свойства. Обрабатываемость ковкого чугуна зависит от структуры основной металлической массы и от включений графита. Наличие промежуточного перлитного слоя под наружной ферритной оболочкой определяет толщину первой стружки в 1,5-2,0 мм.

Обрабатываемость ферритного ковкого чугуна весьма высока; включения графита оказывают смазывающее действие и дробят стружку.

Обрабатываемость перлитного ковкого чугуна уступает обрабатываемости ферритного и определяется степенью однородности и дисперсности структуры основной металлической массы. Так, обрабатываемость чугуна со сфероидизированной структурой перлита и даже цементита вполне удовлетворительна, несмотря на повышенную твердость.

Износостойкость и антифрикционные свойства ковкого чугуна определяются структурой, условиями трения и величиной зазоров.

Наиболее благоприятной структурой обладает перлитный ковкий чугун, при отсутствии в нем изолированных включении графита, окруженных ферритной отсрочкой.

Коэффициент трения перлитного ковкого чугуна равен при жидкостном трении 0,05-0,10 и при сухом 0,30-0,45.

Втулки из этого чугуна работают на металлорежущем оборудовании при pv=50, на металлодавящем оборудовании при pv = 120, на тракторах при рv= 160 кГ/см2*сек.

Зазоры между валом и втулками по сравнению с бронзовыми увеличиваются на 10-15%.

Ферритный ковкий чугун применяется при малых давлениях (рv ≤ 20 кГ/см2*сек), особенно при малых скоростях и работе со смазкой.

Обработанные поверхности ферритного чугуна корродируют быстрее, чем перлитного чугуна и стали. Стойкость поверхности ковкого чугуна повышается применением диффузионных покрытий: фосфатированием, бесщелочным оксидированием, пассивированием и пр.

При контактной коррозии ковкий чугун обнаруживает пониженный, положительный электродный потенциал.

Ковкий чугун, особенно ферритный, хорошо поддается запрессовке, расчеканке и легко заполняет зазоры.

Прочность запрессовки втулок из ковкого чугуна при одном и том же натяге выше по сравнению с латунным на 50%.

Механические и физические свойства ковкого чугуна. В таблице 36 приведены основные характеристики наиболее часто применяемых марок ковкого чугуна применительно к следующим исходным условиям: толщина стенок 10 мм; поверхность обработанная, форма сечения при изгибе прямоугольная, при прочих нагрузках любая; рабочая температура 20оС.

В условиях, отличных от перечисленных, значения характеристик получаются умножением данных таблицы 36 на коэффициент массы Км, поверхности Кп, формы Кф, температуры Кt , причем влияние температур учитывается только в условиях их отрицательного действия. Поправочный коэффициент для усталостных характеристик учитывает только характер поверхности.

Нормы прочности приведены для обработанных разрывных образцов. Поправочные коэффициенты приведены в таблице 36. В таблице 37  приведены примеры применения ковкого чугуна.

Упругие свойства ковкого чугуна определяются из основных данных таблиц - модулями нормальной упругости Е и сдвига G и коэффициентом Пуассона u. Величины же пластических деформаций и условного модуля упругости находятся по соответствующим графам таблицы. При этом учитывается, что при многократных повторных нагрузках пластические деформации уменьшаются и остаются почти одни упругие деформации.

Поправочный коэффициент для усталостных характеристик учитывает только характер поверхности. По влиянию массы, формы сечения и температуры проверенные данные отсутствуют.

Физические свойства определяются из таблицы с поправками на температуру Кt. Например, коэффициент линейного расширения в интервале до 500оС определяется выражением

а0500 = а0100 [1 + Кt (T - 100 = 10.8 * 10 [1 + 0,00072 (500-100) ] = 14 * 10

Данные таблицы являются минимальными для ковкого чугуна соответствующей марки, гарантийными, и могут быть использованы для расчета деталей.

Общий объем применения ковкого чугуна в машиностроении относительно невелик и составляет около 3% от применяемых отливок из железоуглеродистых сплавов. Главной причиной этого являются технологические затруднения в процессе производства отливок, необходимость применения длительной термической обработки и ограниченная величина допускаемых размеров сечений отливок, сложность операций поверхностного упрочнения и операций сварки.

Таблица 30. Объемная усадка в %

Сплав

В жидком состоянии

При затвердевании

Общая

Сталь

1,6

3

4,6

Белый чугун*

2-2,3

4,6-3

6,6-5,3

Серый чугун

2,5

0,9

1,4

 

* В зависимости от содержания углерода

Таблица 31. Линейная усадка в %

Сплав

Доперлитная

Перлитная

Полная в твердом состоянии

Сталь

1,2

1

2,2

Белый чугун*

0,3

1

1,3

Серый чугун

0

1

1

 

Таблица 32. Влияние включений графита на силовое поле в чугуне

Показатель

Серый чугун

Ковкий чугун

Уменьшение площади основной металлической массы а = Ест / Ечуг

До 3

1,15

Надрезающие действия включений графита B = σст / σчуг

1,2-2

1,15-1,6

Таблица 33. Марки и механические свойства ковкого чугуна

Марки ковкого чугуна

Временное сопротивление разрыву в кГ/мм2 (не менее)

Относительное удлинение в % (не менее)

Твердость НВ (не менее)

КЧ 30-6
КЧ 33-8
КЧ 35-10
КЧ 37-12
КЧ 45-6
КЧ 50-4
КЧ 56-4
КЧ 60-3
КЧ 63-2

30
33
35
37
45
50
56
60
63

6
8
10
12
6*
4
4
3
2

163
163
163
163
241
241
269
269
269

* С согласия заказчика допускается понижение относительного удлинения на 3%.

Таблица 34. Относительное влияние механической обработки на свойства ковкого чугуна

Состояние поверхности

Статистические свойства

Динамические свойства

σв

δ

ан

σ-1

Литая

1

1

1

1

Механически обработанная

0,95

0,3

0,75

1,3

 

Таблица 35. Коэффициенты усталостной прочности

Напряжения

Сталь

Ковкий чугун

Серый чугун

σ-1
σ-1p
t-1k

1.00
0.70
058

1.00
0.60
0.70

1.00
0.50
0.80

Примечание. Ковкий чугун превосходит сталь при кручении, а серый чугун при растяжении - сжатии.

Таблица 36. Основные характеристики ковкого чугуна марок КЧ 35-10 и КЧ 37-12

Наименование свойства

Обозначение

Размерность

Марки чугуна

КЧ 35-10

КЧ 37-12

Механические свойства

Растяжения

Предел текучести

σ0,2

кГ/мм2

22,0

23,0

Предел прочности

σв

кГ/мм2

33,2

35,0

Относительное удлинение

δ

%

9,0

10,8

Относительное сужение

ψ

%

11,0

13,0

Кручения

Предел текучести

t0.4

кГ/мм2

15,0

16,0

Предел прочности

tв

кГ/мм2

35,0

37,0

Относительный угол закручивания

t

-

23,0

25,0

Сжатия

Предел текучести

σ0сж

кГ/мм2

24,0

25,0

Изгиб

Предел текучести

σ 0,2 И

кГ/мм2

34,0

35,0

Предел прочности

σви

кГ/мм2

57,0

58,0

Предел прочности

tв ср

кГ/мм2

30,0

30,0

Другие механические и физические свойства

После отжига

ан

кГ * м/см2

1,4

1,6

Предел выносливости при изгибе

σ-1

кГ/мм2

14,0

14,0

Предел выносливости при растяжении-сжатии

σ-1 р

кГ/мм2

8,0

8,0

Предел выносливости при кручении

t-1

кГ/мм2

13,0

13,0

Твердость НВ

НВ

кГ/мм2

163

163

Модуль нормальной упругости

Е

кГ/мм2

16 600

17 000

Коэффициент Пуассона

u

-

0,27

0,25

Удельный вес

y

Г/см3

7,22

7,21

Коэффициент линейного расширения

а0-100оС

см/см * град

10,2

10,0

Теплопроводность

λ

кал/см * сек * оС

0,150

0,150

Теплоемкость

с

кал/Г * оС

0,122

0,122

Электросопротивление

р

мк * ом * см3

36,0

38,0

Магнитная индукция

В25
В50
В100
Вr

гс

12 000
13 500
14 600
5 500

12 300
13 800
14 600
5 500

Остаточная коэрцитивная сила

Нс

э

1,3-3,0

1,3-3,0

Химический состав (примерный)

Углерод

C

%

2.3-2.0

2.2-2.5

Марганец

Mn

%

0.3-0.5

0.3-0.5

Кремний

Si

%

1.1-1.3

1.2-1.4

Сера

S

%

0.12

0.12

Фосфор

P

%

0.12

0.12

Хром

Cr

%

0.06

0.026

Критические точки в оС

-

Ас1

oC

685

790

-

Ас3

oC

815

820

-

Аr1

oC

725

730

-

Ar3

oC

760

765

 

Поправочные коэффициенты к основным характеристикам ковкого чугуна
1. Коэффициенты литой поверхности Rn для всех марок ковкого чугуна
σТ - 1,05
δ - 1,1
ан - 1,3
σ-1 - 0,75
2. Физические константы для всех марок ковкого чугуна:
а -100 +0,0007
С +0,0005
λ -0,00024 +0,0025
3. Температурные коэффициенты Кt ( для σТ):

t oC

КЧ 35-10

КЧ 37-12

200-100

1,0

1,0

300

0,95

0,98

500

0,78

0,85

 

Таблица 37. Примеры применения ковкого чугуна в различных отраслях промышленности

Отросоль машиностроения

Детали

Условия работы

Рекомендуемые марки чугуна

Сельскохозяйственное

Шестерни, звенья цепей, собачки, пальцы, ключи, гребни, головки ножей и т.д.

Статистические и динамические нагрузки

КЧ 30-6

Текстильное

Банкаброши, желоньеры и т.п.

Статистические и динамические нагрузки

КЧ 30-6

Автомобильное и тракторное

Картеры - заднего моста, дифференциала, руля, ступицы колес, кронштейны двигателя, рессор, тормоза, тормозные колодки, педали, накладки, пробки, балансиры, катки, втулки

Сложные переменные динамические нагрузки
Износ

КЧ 35-10
КЧ 30-6
КЧ 45-6

Вагоностроение

Детали тормозов, подшипника, кронштейны, тяговые сцепления, скобы и т.д.

Внутреннее давление, ударные нагрузки

КЧ 35-10
КЧ 30-6

Судостроение

Иллюминаторы, кронштейны и т.д.

Изгиб, ударные нагрузки

КЧ 35-10
КЧ 30-6

Станкостроение

Втулки

Износ

КЧ 45-6
КЧ 50-4

Санитарное строительство, водо -, газо - и паропроводная арматура

Фитинги, вентили, радиаторные ниппели, пневматические корпуса и т.д.

Внутреннее давление до 20 ат

КЧ 30-5