Ковкий чугун: маркировка по ГОСТ, свойства и применение

Чугун – это сплав железа с углеродом, получаемый при переработке железной руды в доменных печах. Главная особенность – высокое содержание углерода – более 2.14%. Углерод в составе ковкого чугуна имеет хлопьевидную форму. 

Особенности производства

Сплав железа и углерода, принимающего в структуре металла вид графитовых хлопьев, называется ковким чугуном. Его получают путём длительной термообработки заготовок из белого чугуна. Под действием отжига меняется структура металла, цементит в нём превращается в графит. Этот процесс называется графитизация. После термической обработки сплав меняет механические характеристики – уменьшаются прочность, твёрдость, материал становится пластичным.

Технология отжига включает 5 стадий:

1. Медленный нагрев заготовки в течение 20–25 часов до температуры 950–1000 ºС.
2. Первый этап графитизации. Выдержка при температуре 950–1000 ºС на протяжении 15–20 часов.
3. Медленное охлаждение до температуры 740–720 ºС, время операции 6–12 часов.
4. Второй этап графитизации – продолжительная выдержка заготовки при температуре 720 ºС или постепенное снижение температуры с 760 до 720 ºС. Длительность этой операции составляет около 30 часов.
5. Полное охлаждение детали.

Есть четыре способа отжига для придания чугунной отливке требуемых свойств. Различаются они стадией №4 (диапазон температур от 760–720 ºС). Остальные этапы отжига совпадают.

1. Быстрое охлаждение до температуры ниже критической – 720 ºС и выдержка при этой температуре 30 часов.
2. Медленное охлаждение на протяжении 30 часов, в критическом интервале температур от 760–720 ºС.
3. Ступенчатое охлаждение в интервале температур от 760 до 720 ºС.
4. Технология поочерёдного нагрева выше 760 ºС и охлаждения ниже 720 ºС.

Советскими учёными разработан метод, благодаря которому удалось сократить продолжительность отжига до 10–15 часов. Суть его заключается в закалке деталей в масле перед термообработкой.

Разновидности ковкого чугуна

Технология отжига и состав микроструктуры металла определяют какой получится ковкий чугун – перлитного или ферритного класса. Различают промежуточный ферритно-перлитный класс.

Ферритный класс чугуна

По описанной выше технологии получают ковкие ферритные чугуны. Микроструктура такого сплава – это феррит (железо) с округлёнными, изолированными включениями графита. На изломе деталь из ферритного сплава чёрная и бархатистая.

Ферритно-перлитный чугун

Металл с перлито-ферритным строением, в котором графитизировалось меньшее количество углерода и сохранилась перлитная составляющая.

Получение перлитно-ферритного ковкого чугуна выполняется путём повышения содержания в металле легирующих элементов, которые препятствуют графитизации. К ним относятся Мn, Сr, Мо, но чаще всего марганец. И снижение содержания углерода и кремния – элементов, способствующих графитизации перлита.

Чтобы получить перлитно-ферритный ковкий чугун, следует уменьшить время выдержки в стадии отжига №3 и ускорить охлаждение.

Перлитный класс чугуна

Для получения перлитного строения, отливки засыпают порошком из смеси железной руды и металлической окалины. Под воздействием высокой температуры и окисленной железной руды поверхность металла постепенно обезуглероживается. Заготовки из этого сплава выглядят на изломе серебристыми или белыми.

Такой металл имеет неравномерное строение и макроструктуру. В центре слитка в нём больше перлитной составляющей. Ближе к краям количество углерода отжига сокращается и увеличивается количество феррита.

Для получения сплава с высокими механическими характеристиками нужно использовать белый чугун с пониженным содержанием углерода – не более 3%.

Свойства ковкого чугуна

Режим термообработки и содержание легирующих элементов, углерода и кремния определяют механические характеристики отожжённого металла.

Чугуны перлитного класса характеризуются высокими показателями сопротивления на разрыв, твёрдости, износостойкости, антифрикционными свойствами, антикоррозионной стойкостью. Но эти материалы имеют низкие значения относительного удлинения, и как следствие низкую пластичность.

Ковкие чугуны ферритного класса имеют меньшее значения сопротивления на разрыв, пониженную твёрдость и большее относительное удлинение. У них меньше прочность, но выше пластичность.

Рассматриваемый сплав выгодно отличается от сталей и серого чугуна следующими показателями:

• отношение предела текучести к пределу прочности выше, чем у стали, достигает 0,6-0,8 у перлитного сплава;
• рассматриваемый сплав перлитного класса превосходит серый чугун и даже высокопрочные конструкционные стали по твёрдости и прочности (630 Н/мм2);
• ферритный ковкий сплав по значению относительного удлинения превосходит этот показатель у серого чугуна в 10 раз, что говорит о его высокой пластичности.

Кроме того, отожжённый металл обладает высокой величиной внутреннего трения, что позволяет быстро гасить вибрации, хорошими антифрикционными свойствами и малой чувствительностью к надрезам.

При легировании элементами: Mn, Ti, Cr, Cu металл приобретает высокую износостойкость. При добавлении в чугунный расплав хрома и никеля к повышенной износостойкости добавляется жаростойкость.

Маркировка ковкого чугуна

Правила маркировки прописаны в Маркировка прописана в ГОСТ 1215-79. Всего 11 марок. Группа обозначается буквами КЧ, к которым добавляют два значения. Первое равняется пределу временное сопротивление разрыву. Второе число обозначает относительное удлинение, выраженное в процентах.

Маркировка КЧ 45-7 обозначает: ковкий чугун с механическими характеристиками: предел прочности 441 кгс/мм², с относительным удлинением – 7 %. 

* По согласованию изготовителя с потребителем допускается понижение на 1%.

Применение

Материал обладает более низкой стоимостью по сравнению со сталью и сопоставимыми прочностными показателями.

Из ковкого чугуна изготавливают детали с толщиной стенки от 3 до 40 мм.

Из ковкого чугуна делают детали, работающие в условиях изгибающих, скручивающих, ударных, и других знакопеременных динамических нагрузках, давления до 20 кг/см2, вибрации, повышенного трения деталей друг о друга.

Применяется в машиностроении, строительстве, автомобилестроении, на производстве сельскохозяйственного оборудования и в других промышленных секторах:

• Сельское хозяйство и автомобилестроение: изготовление шестерён, муфт, цепных звеньев, звёздочек, ступиц сельскохозяйственной техники. Картеры мостов, коленчатые валы, корпуса коробок передач, тормозные колодки и другие детали, выпускаемые автомобилестроительными предприятиями.
• Вагоностроение и судостроение: производство элементов воздушных тормозов, кронштейнов, сцеплений, подшипников.
• Энергетика: изготовление клемм, провододержателей, крюков изоляторов.
• Строительство: фитинги, вентили, задвижки, пневматические клапаны.
• Текстильная промышленность: звенья цепей приводов оборудования, шестерни, подшипники.

Один из самых распространённых промышленных материалов – ковкий чугун. Металл подходит для изготовления высоконагруженных деталей машин и механизмов в современной промышленности.