Ковкий чугун

Ковкий чугун получают графитизирующим отжигом белого чугуна определенного химического состава, что обеспечивает формирование в процессе отжига компактного графита, который придает ковкому чугуну повышенные механические свойства (предел прочности при растяжении σB, относительное удлинение δ и ударная вязкость αH).

Рекомендуемый химический состав ковкого чугуна характеризуется пониженным содержанием графитизирующих элементов C=2,4-2,9%; Si=1,0-1,6%; C+Si=3,6-4,2%, что обусловлено необходимостью получения отливок из ковкого чугуна в литом состоянии со 100% отбелом по всему сечению отливки, по той простой причине, что при наличии в литой структуре чугуна пластинчатого графита, в процессе последующего проведения отжига будет формироваться пластинчатый графит (т.е. серый чугун), а не компактный, присущий ковкому чугуну.

Принято различать черносердечный ковкий чугун, получаемый графитизирующим отжигом и белосердечный ковкий чугун, получаемый обезуглероживающим отжигом в окислительной среде (обычно отливки располагают в контейнерах в перемешку с железной рудой, t=1000-1050°C, τ=60-70 ч). Тонкостенные отливки из белосердечного ковкого чугуна производят во Франции, Германии, Италии и др. странах, основные достоинства такого чугуна — повышенная вязкость и пригодность для проведения сварки без предварительной и последующей термической обработки.

Термическая обработка

Графитизирующий отжиг является неотъемлемой технологической операцией процесса получения ковкого чугуна. Основное назначение — проведение графитизации, т.е. выделения графита из цементита, при этом протекание процесса возможно по 2-м вариантам: полная графитизация цементита, с получением ферритной металлической матрицы и частичная графитизация первичного и ледебуритного цементита, с получением перлитной или перлито-ферритной металлической матрицы.

Независимо от выбранного варианта, графитизирующий отжиг проводят в две стадии

1 стадия предусматривает: нагрев до температуры 930-1050°C со скоростью 200-300°C/ч; выдержку в течение ~10 ч. На данной стадии происходит разложение первичного и ледебуритного цементита, в результате чего образуется аустенитная матрица с включениями хлопьевидного (компактного) графита (см. рис. 1). Затем следует снижение температуры до ~760°C (со скоростью 50-65°C/ч), т.е. до температуры немногим выше начала эвтектоидного превращения.

2 стадия предусматривает медленное охлаждение со скоростью не выше 5°C/ч во всем интервале эвтектоидного превращения, вплоть до ~700°C. На данной стадии происходит распад цементита, входящего в перлит. Окончательная микроструктура чугуна зависит от параметров второй стадии: кратковременная выдержка (~5 ч) влечет за собой образование перлитной структуры металлической матрицы с включениями компактного графита, вокруг которых располагается оторочка феррита; длительная выдержка в течение 20-40 ч, ведет к образованию ферритной металлической матрицы с включениями компактного графита, что хорошо показано на рис. 1.

Основной недостаток техпроцесса получения ковкого чугуна — длительный процесс термической обработки, что при нынешних высоких ценах на электроэнергию, ведет к значительным затратам. Для снижения длительности отжига ковкий чугун подвергают модифицированию и микролегированию алюминием (0,01%), бором (0,003%), титаном (0,03%), висмутом (0,003%), что ведет к увеличению в расплаве центров графитизации и снижению стабильности цементита.

Достоинства ковкого чугуна:

Сочетание высоких механических свойств с высокой обрабатываемостью резанием (компактный графит способствует ломкости стружки и является смазывающим материалом)

Однородная структура по всему сечению отливки

Отсутствие внутренних напряжений в отливках

Способность воспринимать высокие знакопеременные нагрузки

Высокая коррозионная стойкость

Ковкий чугун используют для производства мелких тонкостенных отливок (3-50 мм) ответственного назначения, работающих в условиях динамических знакопеременных нагрузок в автомобилестроении, тракторном и сельскохозяйственном машиностроении для изготовления коробок передач, деталей приводных механизмов, шасси, рычагов, коленчатых и распределительных валов, деталей сцепления, поршни дизельных двигателей, коромысла клапанов, фитинги и т.д.{:}{:en}Ductile iron is obtained by graphitizing annealing of white iron of a certain chemical composition, which ensures the formation of a compact graphite in the annealing process, which gives the ductile iron increased mechanical properties (tensile strength σB, elongation δ and shock viscosity Ah).

The recommended chemical composition of ductile iron is characterized by a reduced content of graphitizing elements C=2,4-2,9%; Si=1,0-1,6%; C+Si=3,6-4,2%, due to the need to obtain castings of ductile iron in the cast state with 100% bleach throughout the casting section, for the simple reason that in the presence of cast iron in the structure of plate graphite, in the subsequent annealing process will be formed plate graphite (ie, gray iron), rather than compact, inherent in ductile iron cast iron.

It is common to distinguish between ductile ductile iron, obtained by graphitizing annealing and white-hearted ductile iron, obtained by decarbonizing annealing in an oxidizing medium (usually castings are arranged in containers mixed with iron ore, t=1000-1050°C, τ=60-70 h). Thin-wall castings from white-hearted ductile iron are produced in France, Germany, Italy and other countries, the main advantages of such cast iron are increased viscosity and suitability for welding without preliminary and subsequent heat treatment.

Heat treatment

Graphitizing annealing is an integral technological operation of the process of producing ductile iron. The main purpose — to carry out graphitization, ie, the allocation of graphite from cementite, the process is possible for 2 variants: full graphitization of cementite, to obtain a ferritic metal matrix and partial graphitization of primary and ledeburite cementite, to obtain a perlite or perlite-ferrite metal matrix.

Regardless of the selected option, graphitizing annealing is carried out in two stages

Stage 1 involves: heating to a temperature 930-1050°C at a rate of 200-300°C/h; delay for ~10 h. At this stage, the decomposition of the primary cementite and ledeburite, resulting in an austenitic matrix with inclusions of flocculent (compact) graphite (see Fig. 1). This is followed by a decrease in temperature to ~760°C (at a rate of 50-65°C/h), i.e. to a temperature slightly above the beginning of the eutectoid transformation.

Stage 2 provides for slow cooling at a rate not exceeding 5°C / h in the entire range of eutectoid transformation, up to ~700°C. at this stage, the decay of cementite entering perlite occurs. The final microstructure of cast iron depends on the parameters of the second stage: short-term exposure (~5 h) entails the formation of a perlite structure of the metal matrix with the inclusion of compact graphite, around which the ferrite edge is located; long exposure for 20-40 hours, leads to the formation of a ferritic metal matrix with inclusions of compact graphite, which is well shown in Fig. 1.

The main disadvantage of the process of producing ductile iron is a long process of heat treatment, which at the current high electricity prices leads to significant costs. To reduce the duration of annealing, ductile iron is subjected to modification and microallocation with aluminum (0.01%), boron (0.003%), titanium (0.03%), bismuth (0.003%), which leads to an increase in the melt of the graphitization centers and a decrease in the stability of cementite.

Advantages of ductile iron:

The combination of high mechanical properties with high machinability of cutting (compact graphite contributes to chip breakage and is a lubricating material)

Uniform structure throughout the casting section

The lack of internal stresses in the castings

Ability to perceive high alternating loads

High corrosion resistance

Ductile cast iron used for the production of small thin-walled castings (3-50 mm) for critical applications working under dynamic alternating loads in the automotive industry, tractor and agricultural mechanical engineering for the manufacture of gear boxes, parts of drive mechanisms, chassis, levers, crankshafts and camshafts, clutch parts, pistons, diesel engines, rocker arms valves, fittings, etc.