Ковкий чугун

Если отливку из белого доэвтектического чугуна подвергнуть специальному графитизирующему отжигу, структура чугуна изменится и он приобретет высокую прочность и удовлетворительную пластичность. Такой отожженный чугун называется ковким.

Рис. 3. Микроструктура серого, ковкого и высокопрочного чугунов

Отжиг белого чугуна основан на метастабильности цементита и обычно ведется по графику, показанному на рис. 4.

Рекомендуемый химический состав заливаемого в формы сплава следующий: 2,4...2,9 % С; 1,0...1,6 % Si; 0,3...1,0 % Мn. Содержание углерода и кремния подбирается из расчета Si + С < 3,8 %. При таком составе сплава и ускоренном охлаждении в отливке формируется структура белого доэвтектического чугуна П + Л(П + Ц) + Ц_II. После охлаждения закристаллизовавшуюся отливку отжигают.

Графитизирующий отжиг состоит обычно из двух стадий. Первую рекомендуется проводить при 950...1050 °С. При более высоких температурах возможно оплавление отливок, расположенных вблизи от нагревателей, что недопустимо. Длительность первой стадии отжига подбирается в каждом конкретном случае такой, чтобы весь цементит, находящийся в структуре отливки (А + Ц), распался на А+ХГ.

Рис. 4. График отжига белого чугуна на ковкий

Металлическая основа чугуна формируется на второй стадии отжига при эвтектоидном превращении. В случае непрерывного охлаждения отливки в области эвтектоидной температуры аустенит распадается на перлит пластинчатый. Получается ковкий чугун с перлитной металлической основой. Он дает высокими твердостью (235...305 НВ) и прочностью (σ_в = 650..800МПа) в сочетании с небольшой пластичностью (δ = 3,0...1,5 %). Для повышения пластичности при сохранении достаточно высокой прочности проводится непродолжительная (2...4 ч) изотермическая выдержка чугуна или замедленное охлаждение при температурах 690...650 °С. Это вторая стадия отжига, представляющая собой в данном случае отжиг на зернистый перлит. Перлит пластинчатый переходит в перлит зернистый путем сфероидизации (округление) пластин цементита.

Наряду с ковким чугуном с основой перлит зернистый широко распространение в машиностроении ферритный ковкий чугун (рис. 5), характеризующийся высокой пластичностью (δ = 10...12 %) и относительно низкой прочность (σ_в = 370...300 МПа). Ферритная основа чугуна образуется при очень медленном прохождении интервала 760...720 °С или в процессе изотермической выдержки при 720...700 °С. Здесь аустенит и цементит, в том числе и цементит перлита, если перлит успел образоваться, распадаются на Ф + ХГ.

Рис.5. Микроструктура ковкого чугуна с ферритной основой.×200

Продолжительность отжига в целом составляет 20...40 ч (при этом длительность второй стадии примерно в 1,5 раза больше, чем первой). Для сокращения продолжительности отжига белого чугуна на ковкий, что экономически целесообразно, используют ряд приемов. Чтобы ускорить распад цементита, первую стадию отжига проводят при повышенных температурах (1000...1050 °С). Пpoцecc графитообразования облегчается при введении в расплав чугуна перед его разливкой по формам небольших доз некоторых элементов (модифицирование), создающих дополнительные искусственные центры образования графита. Чугун с модифициющими добавками называется модифицированным.

Для получения в модифицированном КЧ перлитной основы рекомендуется увеличивать содержание марганца до 1,2 % (хрома и некоторых других элементов). Марганец (хром), растворяясь в цементите, повышает его устойчивость к распаду на Ф и ХГ в области эвтектоидных температур. Для получения ферритно-перлитной основы продолжительность второй стадии отжига сокращают.

Маркируют ковкие чугуны буквами КЧ и числами, первое из которых указывает уменьшенную в 10 раз величину предела прочности при растяжении σ_В, второе – относительное удлинение при растяжении δ (см. табл. 1). Например, КЧ 35-10 ГОСТ 1215-79.

Ковкие чугуны широко применяются в сельскохозяйственном, автомобильном и текстильном машиностроении, в судо-, котло-, вагоно-, и дизелестроении. Из них изготавливают детали высокой прочности, работающие в тяжелых условиях износа, способные воспринимать ударные и знакопеременные нагрузки. Существенным недостатком технологического процесса получения КЧ является длительный отжиг отливок и ограничение толщины их стенок (до 50 мм).