Как формируется структура ковкого чугуна

Чугун - сплав железа с углеродом (от 2,14% до 4-5% углерода), применяемый в промышленности, сантехнике и отоплении, используемый в хозяйственном быту. Чугуны дешевле стали (также сплав железа с углеродом), имеют лучшие литейные свойства, большую тепловую инертность, поэтому широко применяются в различных отраслях машиностроения.

Схема отжига белого чугуна на ковкий

Схема отжига белого чугуна на ковкий.

В зависимости от технологии изготовления в структуре сплава формируются две разные углеродистые формы: графит или цементит. Присутствие того или иного вида углеродного включения определяет вид чугуна и его свойства. Серый чугун содержит свободный углерод (графит), он является литейным. Он характеризуется достаточной пластичностью, позволяющей выполнять его механическую обработку.

Для белого чугуна, содержащего связанный углерод (цементит), характерна высокая твердость и следующая за ней износостойкость, он хрупок и плохо обрабатывается механическим резанием. Он является основой для получения ковкого вида, объединяющего в себе свойства прочности и пластичности. Какая обработка приводит к преобразованию белого чугуна в ковкий и при каких технологических операциях формируется структура ковкого чугуна?

Виды сплавов: белый и серый

Схема микроструктуры ковкого чугуна

Схема микроструктуры ковкого чугуна.

Структура чугуна белого формируется благодаря быстрому охлаждению при затвердевании. При такой технологии растворенный при высоких температурах углерод не успевает выделиться в отдельную структурную составляющую и остается в связанном виде (цементит или карбид железа Fe3C). Его присутствие определяет свойства твердости, износостойкости и хрупкости.

Поскольку скорость охлаждения играет определяющее значение для формирования структуры, важна толщина отливок. При слишком большом сечении (больше 50 - 60 мм) трудно отрегулировать требуемую скорость остывания и получить необходимую безграфитную структуру по всей толщине.

Белые сплавы часто называют передельными, поскольку сами по себе они не применяются, а служат промежуточным сплавом, который либо отжигается в ковкий чугун (КЧ), либо переплавляется в сталь.

Технология получения серого чугуна предполагает медленное охлаждение при затвердевании плюс дополнительное модифицирование кремнием в размере 1-3% (кремний усиливает графитизацию), что позволяет растворенному графиту выделиться в виде отдельных включений.

Структура чугуна с полученными графитными включениями формирует меньшую (чем при цементите) твердость материала и позволяют обрабатывать его резанием. Форма и дисперсность графита, структура металлической основы определяют свойства и виды материала чугунного сплава: серый (СЧ), высокопрочный (ВЧ).

Ковкий чугун: свойства и структура

Схемы микроструктур чугуна

Схемы микроструктур чугуна.

Ковкий вид чугуна не обрабатывается давлением, над ним не выполняется ковка. Название «ковкий чугун» связано с повышенной пластичностью и вязкостью.

Для получения оптимального сочетания прочности и пластичности используется технология длительного отжига отливок (от 50 до 120 часов) при температуре 900 - 1050 C. Толщина стен отливок должна быть меньше 50 мм. При этом имеющиеся цементитовые включения распадаются на свободный углерод и феррит (железо).

Процесс распада цементита, называемый графитизацией, может быть полным или не полным. При полном распаде структура чугуна освобождается от всех включений цементита, которые сначала растворяются в аустените (высокотемпературная модификация железа) и затем выделяются в виде графита. Полная графитизация чугуна и преобразование литого материала в ковкий чугун происходит при длительной выдержке и медленном охлаждении.

Схема получения ковкого чугуна

Схема получения ковкого чугуна.

Плавное охлаждение обеспечивает хлопьевидную форму углерода в структуре ковкого чугуна. В отличие от пластинчатой формы графита, являющейся концентратором напряжений и источником разрушения, обеспечивающей хрупкость чугуна, хлопьевидная форма не ослабляет структуру металлического сплава. Хлопьевидный графит формирует требуемую для ковкого чугуна пластичность и вязкость.

Более пластичной будет структура с шаровидными углеродными включениями, свойственными высокопрочному сплаву. Высокопрочные чугуны получают из серого чугуна модификацией (легированием) щелочно-земельными металлами (добавками магния, церия).

Таким образом, в результате длительного отжига и медленного охлаждения тонкостенных отливок формируется структура, для которой характерны мягкая ферритная основа и компактные графитные включения.

Такая структура чугуна характеризуется хорошей износостойкостью, достаточной прочностью на удар, хорошо обрабатывается резанием и потому широко применяется в различных промышленных сферах.

Толстостенные отливки (больше 50 мм) формируют не только хлопьевидные, но и пластинчатые графитные включения. Такая структура хуже обеспечивает полный комплекс механических свойств ковкого материала.

Отжиг: технология и фазовые превращения

Диаграмма изотермических превращений аустенита в ковком чугуне

Диаграмма изотермических превращений аустенита в ковком чугуне с 2,9% С- 0,88% Si, 0,36% Mn и 0,09% S.

По получаемой структуре ковкий вид материала делят на белосердечный (перлитный) и черносердечный (ферритный) материал. Перлитный является более твердым и износостойким, а ферритный - более прочным и вязким. Структура чугуна ковкого (феррит или перлит + графитные включения) определяется особенностями отжига, температурой и временем выдержки (томления) в печи.

От структурных составляющих и их формы зависят свойства готового материала. Структура чугуна для полноценного отжига с получением требуемых свойств не должна содержать в себе выделений свободного графита, должна быть «отбеленной» по всему сечению. Для этого в сплаве ограничивают количество содержания кремния, способствующего графитизации.

Перлитная основа

Основные виды чугунов

Основные виды чугунов.

Белосердечный (перлитный) ковкий чугун получают обезуглероживающим отжигом отливок в порошке железной руды. Популярность этой технологии в прошлом объясняется повышенным содержанием углерода в вагранных отливках (3,4 - 3,6%).

Современная плавка в вагранке дает меньшее содержание углерода (до 3%).

Для перлитного ковкого чугуна используются отливки белого чугуна, содержащие углерод в количестве 3,0 - 3,6 %, технологические добавки кремния, марганца, фосфора, серы. Их размещают в коробах и засыпают свежим рудным порошком или окалиной. При отжиге в железной руде формируется окислительная среда, и углерод частично выгорает (окисляется). Поверхностный слой на глубине до 2 мм оказывается полностью обезуглероженным.

Получаемое литое изделие имеет прочность к воздействию разрывающих и усталостных нагрузок, близкую к стали, повышенную износостойкость. Отливка после обезуглероживания формирует разные свойства вдоль сечения: меньшая твердость на поверхности и большая в сердцевине.

Нагрев выполняется в одну стадию: до 1000 C, затем следует длительная выдержка (от 60 до 100 часов) и медленное непрерывное охлаждение вместе с печью. Формируемая "белосердечная" структура состоит из перлита, который на изломе имеет серебристый белый цвет.

На приведенном ниже Изображении 2 структура перлитного ковкого материала соответствует фото «а».

Ферритная основа

Холодная дуговая сварка чугуна

Холодная дуговая сварка чугуна.

Черносердечный (ферритный) ковкий чугун (фото «б» на приведенном изображении) отжигается без присутствия руды.

Для защиты от окисления отливки засыпают песком или шамотом, возможно, стальной стружкой. Такой отжиг называют графитизирующим.

Для получения ферритного ковкого чугуна важна структура исходной отливки и химический состав сплава. Ферритный черносердечный материал отжигают из белого, содержащего углерод в количестве 2,4 - 2,8 %, а также добавки кремния, марганца, серы и фосфора. Такие малоуглеродистые сплавы плавятся при повышенных температурах (в сравнении со среднеуглеродистыми), поэтому для их плавки применяется дуплекс - процесс.

На первой стадии при температурной выдержке 900 - 1050 C распадается углерод цементита (время выдержки 10-15 часов). На втором этапе при 720 - 760 C распадается перлит с выделением свободного феррита и графита, время выдержки 25 - 30 часов.

Таким образом, структура чугуна после двух стадий отжига содержит феррит и свободный хлопьевидный графит. Излом зерен феррита имеет темно-серый цвет, поэтому такие чугуны получили название черносердечных. Черносердечный ковкий чугун характеризуется хорошей вязкостью, дающей возможность обрабатывать его механическим воздействием (на режущем станке). Плотность литья и небольшие литьевые напряжения позволяют лить из ковкого вида тонкостенные детали с толщиной стенок от 4 до 40 мм.

По механическим и литьевым свойствам ковкий вид материала лучше других видов сплавов, но хуже стали.

Ферритная структура обладает небольшой твердостью и износостойкостью, но характеризуется хорошей вязкостью и прочностью. Такой материал заменяет сталь в неответственных узлах.

Cast iron - an alloy of iron with carbon (from 2.14% to 4-5% carbon) used in industry, plumbing and heating, used in economic life. Cast iron is cheaper steel (alloy of iron and carbon), have better casting properties, high thermal inertia, so are widely used in various branches of engineering.

Driving annealing white cast iron to ductile

Driving annealing white cast iron to ductile.

Depending on the manufacturing technology in the alloy structure formed by two different forms of carbon: graphite or cementite. The presence of a particular type of carbon turn determines the type of cast iron and its properties. Cast iron contains free carbon (graphite), he is casting. He has sufficient ductility to enable it to carry out machining.

For white cast iron containing bound carbon (cementite), characterized by high hardness and wear resistance following it, it is brittle and poorly treated by mechanical cutting. It is the basis for obtaining malleable type, combining the properties of strength and ductility. What treatment leads to the transformation of the white iron into malleable and under what process steps formed ductile iron structure?

Types of alloys: white and gray

Diagram of the microstructure of ductile iron

Diagram of the microstructure of ductile iron.

White iron structure formed by the rapid cooling during solidification. With this technology the dissolved carbon at high temperatures does not have time to form a separate structural component, and remains in a bound form (cement or iron carbide Fe3C). Its presence determines the properties of hardness, wear resistance and brittleness.

Since the cooling rate plays a decisive importance for the formation of the structure, the thickness of the castings is important. Too much cross-section (greater than 50 - 60 mm) is difficult to adjust the cooling rate required to obtain the necessary and bezgrafitnuyu structure throughout the thickness.

White alloys are often referred to as pig, because by themselves they do not apply, and provide intermediate alloy, which is either in annealed malleable cast iron (CN), or melted into steel.

Technology for producing gray cast iron requires a slow cooling during solidification of silicon plus additional modification in the amount of 1-3% (silicon enhances graphitization), allowing to stand dissolved graphite as separate inclusions.

cast iron structure with the obtained graphite inclusions forms a lower (than in cement) hardness of the material and allow it to handle machining. The shape and dispersion of graphite, the structure of the metal base and determine the properties of the kinds of iron alloy material: gray (MF), high frequency (HF).

Ductile iron: properties and structure

Schemes of microstructures of cast iron

Schemes of microstructures of cast iron.

Ductile iron kind is not handled the pressure on him is not satisfied forging. The name "ductile iron" is associated with an increased plasticity and viscosity.

To obtain the optimum combination of strength and ductility prolonged annealing technology uses castings (50 to 120 hours) at a temperature of 900 - 1050 C. The wall thickness of castings should be less than 50 mm. At the same time existing tsementitovye turn break down into free carbon and ferrite (iron).

Cementite decay process, called graphitization, may be complete or incomplete. At full collapse iron structure is freed of all impurities cementite which initially dissolve in the austenite (high temperature modification iron) and then isolated as graphite. Full graphitization of cast iron and cast material transformation in ductile iron occurs at slow shutter speeds and slow cooling.

The scheme for obtaining ductile iron

The scheme for obtaining ductile iron.

Smooth cooling provides a flake form of carbon in the structure of ductile iron. Unlike graphite plate shape, which is a source of stress concentrator destruction providing brittleness iron, flake-form does not weaken the structure of the metallic alloy. Flake graphite forms required for ductile iron ductility and toughness.

More plastic is spherical structure with carbon inclusions, characteristic of high-strength alloys. Ductile iron is obtained from gray cast iron modification (doping), alkaline earth metals (magnesium supplements, cerium).

Thus, as a result of prolonged annealing and slow cooling of thin-walled castings structure is formed, which is characterized by soft ferrite base and compact graphite inclusions.

This cast iron structure is characterized by good wear resistance, sufficient strength to strike, well handled cutting and therefore widely used in various industrial fields.

Thick casting (more than 50 mm) is formed not only flaky but lamellar graphite inclusions. This structure provides a full range of worse mechanical properties of ductile material.

Annealing: technology and phase transformations

Diagram of isothermal transformation of austenite in malleable iron

Figure isothermal transformation of austenite into a ductile cast iron 2.9% C 0,88% Si, 0,36% Mn and 0,09% S.

In the resulting structure of the ductile material type divided into beloserdechny (pearlitic) and chernoserdechny (ferrite) material. Pearlitic is more rigid and wear resistant, ferritic and - more solid and viscous. malleable cast iron structure (ferrite or pearlite + graphite inclusions) is determined by the features of the annealing temperature and time of exposure (longing) in the oven.

From the structural components and their form depends on the properties of the finished material. Iron structure for full annealing to obtain the desired properties should not contain any free graphite precipitates must be "bleached" throughout section. For this limited number of alloy silicon content, promoting graphitization.

pearlite base

The main types of cast irons

The main types of cast iron.

Beloserdechny (pearlite) ductile iron castings produced decarburization annealing in a powder of iron ore. The popularity of this technology in the past is explained by the increased content of carbon Vagran castings (3,4 - 3,6%).

Modern melting in a cupola results in less carbon content (up to 3%).

For pearlitic ductile iron castings of white cast iron are used which contain carbon in an amount of 3.0 - 3.6% silicon technological additives, manganese, phosphorus, sulfur. They are placed in boxes and covered with fresh powder ore or mill scale. Upon annealing in iron ore is formed by oxidative environment and carbon partially burn (oxidize). The surface layer to a depth of 2 mm is completely decarbonized.

The resulting cast product is exposed to tearing strength and fatigue loads close to that of steel, high wear resistance. After casting decarbonization produces different properties along the section: a lower hardness on the surface and a large in the core.

The heating is performed in a single step: to 1000 C, followed by a slow shutter speed (60 to 100 hours) and the slow continuous cooling with the furnace. Moulded "beloserdechnaya" structure consists of perlite, which is on the fracture is silvery white.

The following image 2 ductile pearlite structure of the material corresponds to a photo "a".

ferritic base

Cold arc welding cast iron

Cold arc welding cast iron.

Chernoserdechny (ferritic) cast iron (photo "b" on the above image) is annealed without the presence of ore.

To protect against oxidation, or covered with sand casting chamotte may steel shavings. This annealing is called graphitizing.

For ferritic ductile iron castings of the initial important structure and chemical composition of the alloy. Ferritic chernoserdechny white material is annealed containing carbon in an amount of 2.4 - 2.8%, and silicon additives, manganese, sulfur and phosphorus. Such low carbon alloys melt at elevated temperatures (in comparison to medium-), so their use for duplex melting - process.

In the first stage when the temperature aging 900 - 1050 C decomposes carbon cementite (retention time 10-15 hours). At the second stage at 720 - 760 C pearlite decomposes with the release of free ferrite and graphite, holding time 25 - 30 hours.

Thus, the cast iron structure after two annealing stages contains ferrite free and flake graphite. Fracture ferrite grains has a dark gray color, so these irons are called chernoserdechnyh. Chernoserdechny ductile cast iron is characterized by good toughness, making it possible to treat it by mechanical action (on the cutting machine). injection molding density and small voltage allows casting of malleable type of thin-walled parts with a wall thickness of 4 to 40 mm.

For mechanical properties of injection and malleable type of material better than other types of alloys, but worse than steel.

The ferritic structure has a small hardness and wear resistance, but is characterized by good toughness and durability. Such material replaces steel in non-critical nodes.

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.

Схема відпалу білого чавуну на ковкий

Схема відпалу білого чавуну на ковкий.

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 пов'язаний 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 об'єднує 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

Схема мікроструктури ковкого чавуну

Схема мікроструктури ковкого чавуну.

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 пов'язаному 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

Схеми мікроструктур чавуну

Схеми мікроструктур чавуну.

Ковкий вид чавуну не обробляється тиском, над ним не виконується кування. Назва «ковкий чавун» пов'язано з підвищеною пластичністю і в'язкістю.

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.

Схема отримання ковкого чавуну

Схема отримання ковкого чавуну.

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 в'язкість.

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 м'яка 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

Діаграма ізотермічних перетворень аустеніту в ковкому чавуні

Діаграма ізотермічних перетворень аустеніту в ковкому чавуні з 2,9% С 0,88% Si, 0,36% Mn і 0,09% S.

За одержуваної структурі ковкий вид матеріалу ділять на білосердечної (перлітний) і черносердечний (феритний) матеріал. Перлітний є більш твердим і зносостійким, а феритний - міцнішим і в'язким. 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

Основні види чавунів

Основні види чавунів.

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

Холодна дугова зварка чавуну

Холодна дугова зварка чавуну.

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 в'язкістю, 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 в'язкістю і міцністю. Такий матеріал замінює сталь в невідповідальних вузлах.


» » » Как формируется структура ковкого чугуна