Чугун серый ковкий высокопрочный

Надежность и долговечность изделия в современном машиностроении, в значительной мере зависит от свойств применяемых конструкционных материалов. Свыше 80% машиностроительных деталей различной массы и сложности изготавливают из сплавов на основе железа. В зависимости от содержания углерода сплавы на основе железа разделяют на стали и чугуны.

В отличие от стали в чугуне при определенных условиях часть углерода выделяется в виде розеток графита. В сечении такой розетки видны лишь отдельные пластины. Поэтому, на полированном шлифе чугуна заметны изолированные включения графита. Структура матрицы, чаще всего, бывает феррито-перлитной или перлитной. Такой чугун называют серым.

Обычно, в сером чугуне содержится от 2,5% до 3,6% углерода. В определенных количествах в него входят кремний и марганец. Как примеси, постоянно присутствует сера и фосфор.

Прочность чугуна определяется наличием в его структуре графита пластинчатой формы. Такие графитовые включения значительно ослабляют матрицу. Под действием нагрузки возникает напряжение в металле с наибольшей концентрацией у концов у графитовых включений. В этих местах появляются микротрещины. Серый чугун имеет относительно невысокую прочность и разрушается без пластической деформации.

Чугун – литейный сплав.

Условия охлаждения чугуна после заполнения литейной формы оказывает решающее влияние на формирование его структуры. В тонких сечениях отливки, где скорость охлаждения в период кристаллизации высокая, образуется структура белого чугуна. Углерод в нем находится в виде цементита, графит отсутствует. В остальных сечениях образуется структура серого чугуна. Химический состав также оказывает влияние на структуру. С повышением содержания марганца и серы увеличивается зона отбела. Увеличение содержания графитизирующих элементов – углерода и кремния, уменьшает склонность чугуна к отбелу. Для получения отливок с заданными свойствами, необходимо в каждом конкретном случае учитывать как химический состав, так и скорость охлаждения чугуна в литейной форме.

Серый чугун

Несмотря на относительно невысокие механические свойства, серый чугун нашел широкое применение. Потому что легко обрабатывается, обладает повышенной демпфирующей способностью, а так же антифрикационными свойствами. Поскольку графит чугуна удерживает смазку и сам служит смазочным материалом. Сопряженные детали из чугуна легко перемещаются относительно друг друга.

Серый чугун с небольшими добавками хрома и никеля приобретает хорошие упругие свойства. Поршневое кольцо из такого чугуна после снятия нагрузки вновь принимает первоначальные размеры.

Серый чугун обладает высокой жидкотекучестью. При реальных температурах заливки длина спиральной пробы из чугуна почти вдвое больше стальной, что позволяет изготавливать отливки сложной конфигурации.

Серый чугун отличается малой объемной усадкой при кристаллизации, позволяющей во многих случаях обходиться без установки и прибыли. Наиболее распространенный агрегат для выплавки серого чугуна - вагранка с капельником, в котором происходит накапливание металла, а также усреднение его состава и температуры. Для уменьшения склонности чугуна к отбелу, его модифицируют, вводя в жидкий металл кремнийсодержащие добавки. Модифицирование позволяет выравнивать свойства металла в различных сечениях отливки. Что видно на примере измерения твердости чугунов. Не модифицированного и модифицированного.

Глубина отбела на клиновой пробе модифицированного чугуна значительно меньше, чем не модифицированного. Форма графитовых включений в результате модифицирования также изменяется.

Кроме вагранок для выплавки серого чугуна используют электрические печи. Они позволяют выплавлять металл с более высокой температурой, что имеет важное значение для последующей, внепечной обработки чугуна. Формы для получения отливок из серого чугуна изготавливают уплотнением формовочной смеси в опоках. В полость литейной формы для выполнения внутренней конфигурации отливки устанавливают стержни.

В массовом производстве для мелких чугунных отливок широко применяют автоматические линии безопочной формовки, в том числе с установкой стержней при помощи стержнеукладчика.

Металл формы также заливается автоматически. Отливки из серого чугуна изготавливают не только в песчаных формах, но и металлических. Для получения отливок, имеющих форму тел вращения, широко применяют центробежный способ литья. При этом, повышается производительность труда, не расходуются формовочные материалы, отсутствует литниковая система.

Серый чугун - общепризнанный конструкционный материал. Его применяют для изготовления различных деталей, работающих в условиях статичных нагрузок, вибрации, повышенного трения.

Ковкий чугун

Известно, что такие детали автомобиля, как ступицы колеса, корпус дифференциала, испытывают динамические нагрузки. Можно ли использовать для их изготовления чугун? Можно, если значительно повысить его пластичность. Таким свойством обладает ковкий чугун, в котором графит имеет не пластинчатую, а хлопьевидную форму. По сравнению с серым чугуном в ковком, концентрация графитизирующих элементов – углерода  и кремния ниже.

По прочности и пластичности ковкий чугун превосходит серый.  Изменения химического состава привело к снижению жидкотекучести и росту усадки при затвердевании, что требует установки прибылей даже на мелких отливках. При производстве ковкого чугуна обычно используют дуплекс-процесс.

Выплавляют чугун в огранке, затем транспортируют в раздаточном ковше и переливают в электрическую индукционную печь, где его прогревают перед заливкой для повышения жидкотекучести.

Технологический процесс получения отливок из ковкого чугуна аналогичен получению отливок из серого чугуна. Все большее распространение получают автоматические формовочные линии. Металл в формы заливается на конвейере. Изготовленные отливки должны иметь структуру белого чугуна по всему сечению. Для получения структуры ковкого чугуна их подвергают графитизирующему  отжигу в термических печах. В период выдержки происходит разложение цементита белого чугуна и образуется включение графита хлопьевидной формы. После термической обработки отливки правят на специальных прессах.

Необходимость использования длительной термической обработки и правки значительно повышает трудоемкость изготовления деталей из ковкого чугуна. Кованая стальная заготовка распределительного вала двигателя заметно отличается от готовой детали.

Литая заготовка по своей конфигурации к ней значительно ближе, что намного снижает трудоемкость механической обработки. То же относится и к коленчатым валам, деталям ответственного назначения. Для замены кованых заготовок литыми, нужен сплав, который совмещал бы механические свойства стали с технологическими и эксплуатационными свойствами чугуна.

Высокопрочный чугун

Такими свойствами обладает высокопрочный чугун, в котором при кристаллизации образуются включения графита шаровидной формы.По сравнению с серым чугуном, высокопрочный, характеризуется повышенным содержанием углерода и кремния. А так же низкой концентрацией серы.Механические свойства чугуна определяют при испытании образцов, специально изготовленных в соответствии с ГОСТом.

В высокопрочном чугуне шаровидная форма графита, в меньшей степени, чем пластинчатый графит в сером, ослабляет матрицу и значительно снижает концентрацию напряжения при воздействии нагрузки.

По прочности чугун с шаровидной формой графита приближается к стали. Отливки из высокопрочного чугуна подаются обработке так же хорошо, как и из серого. При этом, достигается требуемая точность и чистота поверхности.

Высокопрочный чугун обладает высокой герметичностью. Из него изготавливают цилиндры газомотокомпрессоров, выдерживающие при испытаниях давление до 100 атмосфер.

Вместе с тем, высокопрочный чугун склонен к образованию усадочных раковин, что требует установки прибылей для питания массивных частей отливок.

Для выплавки высокопрочного чугуна широко применяют индукционные тигельные печи, в которых получают чугун нужного состава и температуры, достаточной для последующего модифицирования. В качестве модификаторов используют магний, церий, иттрий, в виде чистых металлов или легатов. Для предотвращения быстрого всплывания и увеличения времени контакта с расплавом, модификатор накрывают стальными листами. Затем из печи выпускают металл в ковш. Такая технология повышает усвоение модификаторов в чугуне и обеспечивает стабильность процесса.

Для снижения склонности чугуна к отбелу, его дополнительно модифицируют ферросилицием. Формы для отливок большой массы, в основном, изготавливают на крупных встряхивающих столах.

Сборку форм и их заливку производят на специальном плацу. В процессе кристаллизации высокопрочного чугуна под воздействием модификаторов в расплаве происходит многократное ветвление пластин графита и образование его включений шаровидной формы. При недостаточном количестве модификатора или неравномерном его распределении в чугуне может образоваться обычный пластинчатый графит.

Для стабилизации структуры и обеспечении однородности физикомеханических свойств высокопрочного чугуна крупные отливки сложной формы подвергают термической обработке. Например, нормализации.

После механической обработки детали поступают на участок контроля. Детали ответственного назначения проходят дефектоскопию. Замена ряда стальных деталей, испытывающих при эксплуатации большие ударные нагрузки и давление, деталями из высокопрочного чугуна, существенно удешевляет производство некоторых видов машиностроительной продукции.

Из высокопрочного чугуна изготавливают около 50% коленчатых валов для двигателей различного назначения. Эксплуатационные и литейные свойства чугунов обеспечили их широкое применение в различных отраслях машиностроения. Из них получают выше двух третей литых заготовок, используемых промышленностью нашей страны.