Чугунное литье

Вскрытие закономерностей неразрывной связи металлургических процессов формирования структуры и свойств чугуна с процессами формообразования отливок в литейной форме с учетом распределения в них внутренних напряжений, подход к конструкции изделия как к завершающему элементу металлургического процесса сделали возможным получать отливки с различными свойствами.

Внимание конструкторов и технологов привлекает благоприятная зависимость в ковком чугуне между его пределом прочности при растяжении и удлинением. У некоторых металлических материалов прочность и удлинение изменяются обратно пропорционально, причем по мере того, как металл становится более твердым и менее деформируемым, его прочность увеличивается. Для ферритного ковкого чугуна это не характерно, так как с повышением предела прочности при растяжении увеличивается и удлинение. Поэтому из ковкого чугуна получают разнообразные отливки с толщиной стенки 3-60 мм и массой от нескольких граммов до сотен килограммов.

Основным преимуществом ковкого чугуна среди подобных ему по свойствам литых конструкционных материалов Является возможность изготовления отливок большой номенклатуры со стабильными свойствами, высокой размерной точностью и конструкционной прочностью по технологии, одинаково приспособленной как к условиям серийного, так и поточно-массового производства.

Ферритный ковкий чугун обладает наилучшей механической обрабатываемостью. В машиностроении используется обезуглероженный ковкий чугун - единственный из чугунов, с успехом поддающийся пайке и сварке с другими металлоконструкциями с последующей механической обработкой без отжига. Отливки из этого чугуна хорошо свариваются при толщине стенок 4-8 мм.

В общем выпуске ковкого чугуна значительная доля принадлежит перлитному. Наиболее высокая ударная вязкость и работоспособность ковкого чугуна при отрицательных температурах (ниже -40° С) по сравнению с другими чугунами предопределяет область его применения для деталей ходовых узлов машин и механизмов.

В автомобилестроении из ковкого чугуна изготовляют отливки очень большой номенклатуры, к числу которых относятся картеры дифференциалов, ступицы, кронштейны, различные рычаги, детали гидродинамических передач и т. д. В сельскохозяйственном машиностроении помимо различных корпусных деталей, несущих силовые нагрузки, из этого материала делают звенья цепей, пальцы уборочных машин и т. п.

Отливки из ковкого чугуна используют в узлах подвешивания и тормозной системы железнодорожного транспорта, в ходовой части дорожных строительных машин, в нагруженных узлах горных машин и нефтедобывающего оборудования. Шапки изоляторов и различные фиттинги из ковкого чугуна, обладающего хорошей коррозионно-стойкостью, используют в электротехнической промышленности и при прокладке трубопроводов.

Как показывает мировая практика производства, основными потребителями отливок из ковкого чугуна являются автомобильная промышленность и сельскохозяйственное машиностроение. Объем производства отливок из ковкого чугуна находится на уровне 750 тыс. т, что составляет около 4% общего годового выпуска литья в нашей стране, и продолжает увеличиваться. В ближайшее время в связи со строительством новых автомобильных заводов и центролитов количество ковкого чугуна, производимого в СССР, значительно увеличится. Для ряда развитых в промышленном отношении зарубежных стран, использующих в автомобилестроении 40-60% объема всего производимого ковкого чугуна, характерен среднегодовой прирост его выпуска в пределах 5-10%. Необходимо отметить, что производство и применение чугуна с шаровидным графитом также увеличивается, особенно в последние годы, за счет сокращения доли проката и отливок из серого чугуна и стального литья, а также перевода изготовления литых напорных труб с серого чугуна на высокопрочный.

Увеличение применения ковкого чугуна в машиностроении свидетельствует о большом спросе на этот материал, несмотря на конкуренцию с чугуном с шаровидным графитом. Сближение теоретически прогнозируемых и достигнутых свойств материала обусловливает необходимость разработки способов управления ими и является основной задачей повышения конструкционных, эксплуатационных и технологических свойств отливок из ковкого чугуна.

Ковкий чугун является железоуглеродистым литейным сплавом, который в результате термической обработки приобретает определенную вязкость и прочность. Заготовки в литом состоянии имеют структуру белого чугуна, обладающую высокой твердостью и хрупкостью. При термической обработке отливок химически связанный углерод распадается и выделяется в виде свободных включений графита отжига.

Свойства чугуна определяются главным образом его структурой, которая формируется при кристаллизации и превращениях в твердом состоянии. На формирование структуры чугуна влияют химический состав, условия кристаллизации (скорость охлаждения, температура и т. д.) и термическая обработка. При этом, значительное влияние на свойства чугуна оказывают число, размер и форма графитных включений.

Механическая прочность графита в десятки раз меньше прочности металлической основы чугуна; включения графита в первом приближении можно считать пустотами, уменьшающими рабочее сечение. Кроме того, графитные включения являются активными концентраторами местных напряжений, что также понижает прочность чугуна и способствует его хрупкому разрушению. Отрицательное влияние графита на прочность чугуна уменьшается по мере приобретения им компактной формы и тем существеннее, чем ближе эта форма приближается к шаровидной. Ослабляющее действие надрезов от графитных включений на структуру обычного серого чугуна учитывают коэффициентом 1,5-1,6, а фактор нарушения сплошности металла (суживающее действие), характерный для графитных включений ковкого чугуна, - коэффициентом 1,1-1,2.

Способность матрицы ковкого чугуна воспринимать нагрузку при более равномерном распределении напряжений обусловливает более высокие его механические свойства по сравнению с серым чугуном, имеющим аналогичную с ковким чугуном металлическую основу.

Возможность в широких пределах изменять структуру металлической основы (от ферритной до мартенситной) путем выбора состава исходного чугуна или режима термической обработки позволяет получать чугуны с различными физико-механическими и технологическими свойствами.

Перлитная структура металлической матрицы характеризуется высокой прочностью при растяжении и сравнительно малым удлинением; чугун с такой структурой используют для высоконагруженных ответственных деталей с повышенной износостойкостью и хорошими антифрикционными свойствами. Ферритная структура обладает высоким относительным удлинением, хорошей ударной вязкостью, склонностью к пластической деформации и несколько пониженной прочностью при растяжении.

Термин «ковкий чугун» объединяет два типа ковких чугунов: графитизированный и обезуглероженный, получаемых различными методами. Графитизированный чугун получают путем графитизирующего отжига в нейтральной среде белого чугуна определенного состава по содержанию основных элементов и примесей; обезуглероженный чугун - путем обезуглероживающего отжига чугуна. Отливки черносердечного чугуна имеют по всей толщине сечения (до 60 мм и более) однородную твердость и структуру металлической основы, состоящую из феррита, перлита или феррита и перлита в различных сочетаниях. При этом, независимо от структуры форма графита может изменяться от хлопьевидной до шаровидной. Отливки из обезуглероженного чугуна после отжига в окислительной среде в зависимости от содержания остаточного углерода имеют различную структуру по сечению (от поверхности к сердцевине), из полностью обезуглероженного чугуна с ферритной структурой их изготовляют толщиной не более 8 мм, а из перлито-ферритиого чугуна толщиной 12-14 мм. Механические свойства его не стандартизированы.

В отличие от литой стали и серого чугуна ковкий чугун характеризуется однородностью механических свойств по всему сечению, отсутствием внутренних (остаточных) напряжений и высокими механическими и антикоррозионными свойствами при низких и повышенных температурах. Детали из ковкого чугуна, обладая всеми преимуществами отливок, имеют сходные с деталями из сталей механические свойства и характеризуются лучшими показателями по демпфирующей способности, механической обрабатываемости и менее чувствительны к надрезам.

Хорошие литейные свойства чугуна и особенно жидкотекучесть обеспечивают получение тонкостенных сложных отливок с чистой поверхностью, которые благодаря высокой плотности металла выдерживают гидростатическое испытание до 100 кгс/см², что позволяет использовать их для производства большого ассортимента деталей гидро-, газо- и паропроводных установок.

При большом разнообразии номенклатуры изделий и различных областей применения его используют главным образом для отливок с толщинами стенок 3-50 мм, что объясняется стремлением обеспечить получение отбела и однородности свойств во всех сечениях отливки при первичной кристаллизации белого чугуна и в процессе термической обработки. Рациональное конструирование отливок (равномерность толщин стенок, плавность переходов, устранение тепловых узлов и т. д.) является обязательным условием обеспечения высокого качества, надежности и экономичности производства изделий.

Отливки из ковкого чугуна должны отвечать следующим требованиям: быть прочными, свободными от литейных дефектов и выделений первичного графита после затвердевания в литейной форме и после графитизирующего отжига, иметь заданную структуру и свойства. Ковкий чугун получают из исходного чугуна.

Химический состав чугуна не регламентируется ГОСТом, а определяется требованиями к его физико-механическим и технологическим свойствам. При этом учитывают и такие факторы, как толщина сечения отливок, применяемые плавильные агрегаты, исходное сырье и способы термической обработки.

Механические свойства чугуна в значительной мере зависят от количества содержащихся в нем включений углерода отжига. В ферритном чугуне, имеющем структуру феррита и 2,2- 2,60% С (по массе), что соответствует 6,0-7,5% по объему, с увеличением общего количества одинаковых по размеру и распределению включений углерода отжига понижается его прочность и пластичность. Это обстоятельство является определяющим при назначении химического состава для отливок из высококачественного чугуна, несмотря на то что пониженное содержание С ухудшает литейные свойства сплава.