5.5. Ковкий чугун

Ковкий чугун (КЧ) характеризуется высокими прочностью а_в = = 300...800 Н/мм² (30...80 кгс/мм²) и пластичностью 6 = 1,5... 12,0%, что и послужило основанием для того, чтобы называть его ков­ким, хотя ковке он не подвергается, за исключением операции правки отливок. Названные свойства позволяют использовать его для тяжелонагруженных деталей, испытывающих динамические нагрузки. Однако в последнее время наметилась тенденция к за­мене ковкого чугуна высокопрочным как из экономических, так и из технических предпосылок.

К причинам технического характера относятся прежде всего ограничение по толщине стенок отливок до 50 мм, а также более низкие литейные свойства белого чугуна по сравнению с высоко­прочным чугуном.

Высокая стоимость отливок из ковкого чугуна связана с тем, что их производство осуществляется в два этапа: первый - производство отливок из белого чугуна (поэтому под литейными свойствами ковкого чугуна следует понимать литейные свойства белого чугуна); второй - графитизирующий или обезуглеро­живающий отжиг.

На первом этапе основными являются требования, связанные с получением в отливках сквозного отбела. При этом необходимо «держать на максимуме» углеродный эквивалент или суммарное содержание С + Si, но чтобы в то же время в структуре белого чугуна не образовывался свобод­ный графит. При значительном отклонении от этого максиму­ма в меньшую сторону очень сильно увеличивается время вто­рого этапа - отжига.

Химический состав белого чугуна перед отжигом на ковкий чугун является факультатив­ным, как и для всех чугунов, и зависит от толщины стенки: с увеличением толщины стенок суммарное содержание С + Si уменьшается (табл. 5.6).

Важнейшим из требований к химическому составу белого чугуна является ограничение содер­жания хрома - должно быть не более 0,06 % Сг, иначе не про­изойдет полного распада цементита в отливках из белого чугуна (хром делает цементит устойчивым против распада).

Наиболее часто при отжиге белого чугуна на ковкий чугун при­меняют процесс полной графитизации в нейтральной или слабо окислительной среде, в результате получается ферритный ковкий чугун - черносердечный по виду излома и попутно возможно частичное обезуглероживание.

Типичный режим двухстадийного отжига на ферритный ков­кий чугун (рис. 5.10) состоит из пяти периодов:

П₁ - нагрев до 930...970 °С, т.е. значительно выше температур интервала превращений, при длительности 3...5 ч;

п₂ — выдержка, называемая первой стадией, до полного раз­ложения структурного свободного цементита — 3...5 ч;

П₃ — промежуточное охлаждение до температур около 760 °С, т. е. несколько выше интервала критических температур - 3... 4 ч;

Таблица 5.6

Содержание с и Si в отливках из ковкого чугуна в зависимости от толщины стенок

Толщина стенок отливок, мм	С	Si
	мае. %
4...6	3,0...2,8	1,2...1,0
6...9	2,8...2,7	1,0...0,8
9... 13	2,7...2,6	0,8... 0,6
13... 25	2,6...2,5	0,6...0,55
Свыше 25	2,5...2,4	0,55...0,5

п₄ - медленное контролируемое охлаждение со скоростью не более 5 °С/ч, называемое второй стадией, вплоть до 700 °С с це­лью разложения цементита, входящего в перлит, - 8... 15 ч;

Рис. 5.10. Типовой график отжига ковкого чугуна

п₅ - окончательное охлаждение до 550...600 °С, т.е. до темпе­ратуры, при которой отливки выгружают из печи.

Общая продолжительность отжига для получения ферритного ковкого чугуна составляет 23...40 ч. Длительность отжига умень­шается за счет ввода в расплав белого чугуна модификатора, со­держащего 0,003% В, 0,003% Bi, 0,01% А1 (ранее длительность отжига составляла 100 ч, а сам отжиг назывался «томлением»).

Перлитный ковкий чугун может получаться с использованием различных режимов термообработки. Один из них заключается в проведении первой стадии, охлаждении до температуры 900 °С, нормализации и последующего отпуска. Кроме того, по оконча­нии первой стадии и охлаждения может быть применена закалка в масле с отпуском (с нагревами под закалку и под отпуск). Тер­мообработке, в том числе закалке в масле, может быть подвергнут ферритный ковкий чугун, полученный при проведении двухста- дийного отжига. После термической обработки структура метал­лической матрицы становится сорбитной или трооститной.

По ГОСТ 7293-79 (изм. в 1991 г.) установлены 11 марок ков­кого чугуна. Его маркировка производится буквами КЧ и двумя цифрами, первая из которых - временное сопротивление (т.е. предел прочности при растяжении) (с_в, кгс/мм²), вторая - от­носительное удлинение (8, %). Кроме того, ГОСТом регламенти­руется твердость НВ для каждой марки и приводится рекомендуе­мый химический состав (табл. 5.7).

Ферритный чугун имеет черный бархатистый излом с перлит­ной поверхностной каймой толщиной до 1,5 мм и называется «черносердечным». Перлитный чугун имеет светлый блестящий излом и называется «белосердечным».

Для получения белосердечного перлитного чугуна режим от­жига заключается по существу в длительной первой стадии, кото­рая проводится в окислительной атмосфере при температуре 1000... 1050 °С. При этом происходит окисление и удаление из от­ливки значительной части углерода. После охлаждения структура чугуна представляет перлитную матрицу с небольшим количеством графита, т. е. структура близка к графитизированной стали. Такой чугун легко подвергается сварке и пайке.