Ковкий чугун

Ковкий чугун (malleable iron castings) 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 σ_B, относительное удлинение δ и ударная вязкость α_H).

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 (технология используемая в Украине) 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:

1. Сочетание высоких механических свойств с высокой обрабатываемостью резанием (компактный графит способствует ломкости стружки и является смазывающим материалом)
2. Однородная структура по всему сечению отливки
3. Отсутствие внутренних напряжений в отливках
4. Способность воспринимать высокие знакопеременные нагрузки
5. 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.

Стандарты

Технические характеристики ковкого чугуна для изготовления отливок, в Украине регламентируется ГОСТ 1215-79 «Отливки из ковкого чугуна. Общие технические условия».

Маркировка

Ковкий чугун маркируют буквами КЧ, за которыми следуют две цифры, отображающие предел прочности при растяжении σ_B (в кгс/мм²), а за ними, через дефиз, следует одна или две цифры, отображающие относительное удлинение δ (в %), через дефиз заканчивают маркировку буквы Ф или П, отобраражающие класс чугуна ферритный или перлитный. К примеру, КЧ 37-12-Ф означает — ковкий чугун ферритного класса с пределом прочности на растяжение не ниже — 37 кг/мм² и относительным удлинением не ниже — 12%.

Классификация ковкого чугуна

В зависимости от микроструктуры металлической матрицы ковкий чугун подразделяют на ферритный (Ф) и перлитный (П):

• Ковкий чугун ферритного класса с ферритной или феррито-перлитной микроструктурой металлической матрицы, производят следующих марок: КЧ 30-6, КЧ 33-8, КЧ 35-10, КЧ 37-12
• Ковкий чугун перлитного класса с перлитной микроструктурой металлической матрицы, производят следующих марок: КЧ 45-7, КЧ 50-5, КЧ 55-4, КЧ 60-3, КЧ 65-3, КЧ 70-2, КЧ 80-1,5

Механические свойства

Механические свойства материала отливок из ковкого чугуна ферритного и перлитного классов должны удовлетворять требованиям ГОСТ 1215-79, приведенным в табл. 1.

Таблица 1: Механические свойства ковкого чугуна по ГОСТ 1215-79

Марка	Временное сопротивление разрыву, МПа, (кгс/мм2)	Относительное удлинение, %	Твердость по Бринеллю, НВ
	не менее
КЧ 30-6	294 (30)	6	100-163
КЧ 33-8	323 (33)	8	100-163
КЧ 35-10	333 (35)	10	100-163
КЧ 37-12	362 (37)	12	110-163
КЧ 45-7	441 (45)	7*	150-207
КЧ 50-5	490 (50)	5*	170-230
КЧ 55-4	539 (55)	4*	192-241
КЧ 60-3	588 (60)	3	200-269
КЧ 65-3	637 (65)	3	212-269
КЧ 70-2	686 (70)	2	241-285
КЧ 80-1,5	784 (80)	1,5	270-320

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

Химический состав

Рекомендуемый химический состав ковкого чугуна согласно ГОСТ 1215-79, приведен в табл. 2.

Таблица 2: Химический состав ковкого чугуна по ГОСТ 1215-79

Марка	Массовая доля, %
	Основные компоненты				Примеси, не более
	C	Si	C+Si	Mn	P	S	Cr
Ферритного класса
КЧ 30-6	2,6-2,9	1,0-1,6	3,7-4,2	0,4-0,6	0,18	0,20	0,08
КЧ 33-8	2,6-2,9	1,0-1,6	3,7-4,2	0,4-0,6	0,18	0,20	0,08
КЧ 35-10	2,5-2,8	1,1-1,3	3,6-4,0	0,3-0,6	0,12	0,20	0,06
КЧ 37-12	2,4-2,7	1,2-1,4	3,6-4,0	0,2-0,4	0,12	0,06	0,06
Перлитного класса
КЧ 45-7	2,5-2,8	1,1-1,3	3,6-3,9	0,3-1,0	0,10	0,20	0,08
КЧ 50-5	2,5-2,8	1,1-1,3	3,6-3,9	0,3-1,0	0,10	0,20	0,08
КЧ 55-4	2,5-2,8	1,1-1,3	3,6-3,9	0,3-1,0	0,10	0,20	0,08
КЧ 60-3	2,5-2,8	1,1-1,3	3,6-3,9	0,3-1,0	0,10	0,20	0,08
КЧ 65-3	2,4-2,7	1,2-1,4	3,6-3,9	0,3-1,0	0,10	0,06	0,08
КЧ 70-2	2,4-2,7	1,2-1,4	3,6-3,9	0,3-1,0	0,10	0,06	0,08
КЧ 80-1,5	2,4-2,7	1,2-1,4	3,6-3,9	0,3-1,0	0,10	0,06	0,08

Производители литья из ковкого чугуна

• Украинские производители отливок из ковкого чугуна
• Иностранные производители отливок из ковкого чугуна

Литература

1. Механические и технологические свойства металлов. Справочник. Бобылев А.В. М., «Металлургия», 1980. 296 с.
2. Воздвиженский В.М. и др. Литейные сплавы и технология их плавки в машиностроении. — М.: Машиностроение, 1984. — 432 с., ил
3. Могилев В.К., Лев О.И. Справочник литейщика. М. Машиностроение, 1988. — 272 с.: ил.
4. Энциклопедия неорганических материалов. В двух томах. К.: Высшая школа, 1977.
5. ГОСТ 1215-79 «Отливки из ковкого чугуна. Общие технические условия».
6. Колачев Б.Ф., Ливанов В.А., Елагин В.И. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов Изд. 2-е, испр. и доп. М.: Металлургия, 1981. 416 с.
7. Справочник по чугунному литью./Под ред. д-ра техн. наук Н.Г. Гиршовича.- Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1978.- 758 с., ил