Что такое ковкий чугун? Свойства, сорта и использование

Что такое ковкий чугун?

Ковкий чугун — также называемый чугуном с шаровидным графитом или чугуном с шаровидным графитом (SG) — представляет собой тип чугуна, в котором графит присутствует в виде сферические узелки, а не хлопья . Именно это структурное различие придает ковкому чугуну его определяющую характеристику: способность пластически деформироваться перед разрушением, а не внезапно разрушаться, как обычный серый чугун.

Короткий ответ на вопрос «что такое ковкий чугун» таков: это высокопрочный, ударопрочный материал для литья из железа, который сочетает в себе литейные и обрабатываемые свойства чугуна с механическими свойствами, приближающимися к свойствам стали. Предел прочности при растяжении варьируется от 414 МПа до более 900 МПа. в зависимости от марки, и достижимы значения удлинения от 2 до 18 процентов — цифры, к которым серый чугун с почти нулевым удлинением не может приблизиться.

Ковкий чугун был разработан в 1943 году Китом Миллисом из International Nickel Company, который обнаружил, что добавление небольшого количества магния в расплавленное железо приводит к затвердеванию графита в сферической форме. Коммерческое производство началось в конце 1940-х годов, а сейчас ковкий чугун один из наиболее широко производимых инженерных материалов в мире , при этом мировой объем производства превышает 25 миллионов тонн в год.

Чем ковкий чугун отличается от серого чугуна на микроструктурном уровне

Ключ к пониманию ковкого чугуна лежит в его микроструктуре. В сером чугуне графит образует взаимосвязанные чешуйки по всей металлической матрице. Эти чешуйки действуют как уже существующие трещины: под напряжением разрушение начинается на кончиках чешуек и быстро распространяется, вызывая хрупкое разрушение практически без пластической деформации.

В ковком чугуне добавление От 0,03 до 0,05 процента магния по весу к расплавленному железу (процесс, называемый шаровидением или обработкой магнием), приводит к затвердеванию графита в виде отдельных сфер — узелков, а не хлопьев. Каждый узелок представляет собой прерывистую частицу графита без острых кончиков, которые могут вызвать растрескивание. Железная матрица между узелками может пластически деформироваться под напряжением до того, как появится трещина, что придает материалу пластичность.

Матрица, окружающая графитовые конкреции, может быть ферритной, перлитной или их комбинацией, и именно этот состав матрицы в первую очередь определяет механические свойства любой данной марки ковкого чугуна. Термическая обработка может преобразовать матрицу из перлитной в ферритную (отжиг) или создать закаленную микроструктуру для достижения максимальной прочности.

Ключевые механические свойства ковкого чугуна

Механические свойства ковкого чугуна — это то, что отличает его от всех других марок чугуна и делает его настоящей технической альтернативой стали во многих областях применения. Следующие свойства применимы к стандартным маркам согласно ASTM A536:

• Предел прочности: От 414 МПа (60 000 фунтов на квадратный дюйм) для класса 60-40-18 до 827 МПа (120 000 фунтов на квадратный дюйм) для класса 120-90-02. Отпущенный ковкий чугун (ADI) достигает прочности на разрыв, превышающей 1400 МПа .
• Предел текучести: От 276 до 621 МПа (от 40 000 до 90 000 фунтов на квадратный дюйм) для стандартных марок, при этом ADI достигает более 1100 МПа.
• Удлинение: От 2 до 18 процентов при переломе, в зависимости от класса. Предложения для 60-40-18 классов 18-процентное удлинение — уровень, связанный с высокопластичными металлами.
• Твердость: От 140 до 300 по шкале Бринелля (BHN) для стандартных марок; Марки ADI достигают от 269 до 477 BHN в зависимости от температуры отпуска.
• Ударопрочность: Значительно выше, чем у серого чугуна. Значения удара по Шарпи от 7 до 100 Дж достижимы в зависимости от марки и температуры, по сравнению с близкими к нулю значениями для серого чугуна.
• Усталостная прочность: Примерно от 45 до 49 процентов прочности на растяжение при усталости при вращательном изгибе — сравнимо со многими среднеуглеродистыми сталями.
• Модуль упругости: От 159 до 172 ГПа — ниже, чем у стали (200 ГПа), но значительно выше, чем у алюминия (69 ГПа), что обеспечивает хорошее соотношение жесткости к весу в отливках толстого сечения.

Марки и стандарты ковкого чугуна

Ковкий чугун производится в нескольких марках, определяемых пределом прочности, пределом текучести и минимальным удлинением. Соглашение об именах в ASTM A536 напрямую кодирует эти свойства: 65-45-12 класс означает минимальную прочность на разрыв 65 000 фунтов на квадратный дюйм, минимальный предел текучести 45 000 фунтов на квадратный дюйм и минимальное удлинение 12 процентов.

На международном уровне марки ковкого чугуна определяются под ИСО 1083 (например, EN-GJS-400-18, EN-GJS-500-7, EN-GJS-700-2) и европейский стандарт EN 1563. Соглашение об наименовании отличается, но диапазоны свойств близко сопоставимы с марками ASTM A536.

Закаленный ковкий чугун: высокопроизводительный вариант

Отпущенный ковкий чугун (ADI) производится путем подвергания стандартного ковкого чугуна специальному циклу термообработки: аустенизации при от 850°С до 950°С с последующей изотермической закалкой в соляной ванне при от 230°С до 400°С . В результате образуется аусферритная микроструктура — смесь игольчатого феррита и стабилизированного углеродом аустенита, — которая обеспечивает необычайное сочетание прочности, пластичности и ударной вязкости.

Марки ADI по ASTM A897 достигают прочности на разрыв от 900 до 1400 МПа со значениями удлинения от 1 до 10 процентов — свойства, которые совпадают со свойствами среднелегированной стали, но при Плотность на 10 процентов ниже и значительно более низкая стоимость при производстве изделий сложной геометрии, которые требуют обширной механической обработки прутковой заготовки. ADI используется в шестернях, коленчатых валах, гусеничных звеньях и сельскохозяйственных компонентах, где соотношение производительности и стоимости имеет решающее значение.

Ковкий чугун, серый чугун и сталь: прямое сравнение

Понимание того, где находится ковкий чугун по отношению к серому чугуну и стали, помогает инженерам принять правильное решение о выборе материала. Каждый материал имеет определенный диапазон эксплуатационных характеристик и профиль затрат.

Таблица показывает, почему ковкий чугун занимает такое доминирующее положение в машиностроении: он обеспечивает прочность и пластичность, приближающуюся к стали, сохраняет демпфирующую способность и преимущества литейного чугуна и стоит значительно меньше за килограмм готовой детали, чем стальное литье, когда речь идет о сложной геометрии.

Как делают ковкий чугун: производственный процесс

Производство ковкого чугуна требует более строгого контроля процесса, чем производство серого чугуна. Этап обработки магнием является наиболее ответственной и технически сложной частью процесса.

1. Подготовка основного железа: Базовый расплавленный чугун готовится с контролируемым составом — обычно От 3,6 до 3,8 процента углерода и от 2,0 до 2,8 процента кремния. по весу. Перед обработкой магнием содержание серы необходимо снизить до уровня ниже 0,02 процента, поскольку сера вступает в реакцию с магнием и поглощает его, предотвращая образование конкреций.
2. Лечение магнием (нодулизирование): К расплавленному железу добавляется магний — обычно в виде сплава магния и ферросилиция (FeSiMg), чтобы смягчить бурную реакцию. Обработку проводят в ковше сэндвич-, плунжерным или проволочно-инжекционным методом. Остаточное содержание магния в обработанном железе должно быть от 0,03 до 0,05 процента — слишком малое количество приводит к неполной нодуляризации; слишком большое количество вызывает образование карбидов.
3. Прививка: Сразу после обработки магнием добавляется модификатор ферросилиция, который способствует зародышеобразованию графита и предотвращает образование карбидов во время затвердевания. Инокуляция должна произойти в течение короткого периода времени — обычно в течение от 10 до 15 минут — оставаться эффективным до исчезновения.
4. Кастинг: Обработанное железо разливают в песчаные формы, постоянные формы или оборудование для центробежного литья в зависимости от геометрии детали. Немного более высокая скорость усадки ковкого чугуна по сравнению с серым чугуном требует тщательного проектирования стояка для предотвращения внутренней пористости.
5. Термическая обработка (по желанию): Литой ковкий чугун может быть подвергнут отжигу для полной ферритизации матрицы (улучшение пластичности), нормализации для образования перлитной матрицы (повышение прочности) или аустенитному отпуску для получения марок ADI.
6. Проверка качества: Нодулярность (процент графита, присутствующего в виде сфер по сравнению с неправильной формой) проверяют металлографически. Узелковость выше 85 процентов требуется для большинства структурных применений; ниже 80 процентов механические свойства значительно отстают от требований класса.

Где используется ковкий чугун: основные области применения в промышленности

Сочетание прочности, пластичности, литейных свойств и стоимости ковкого чугуна делает его материалом по умолчанию в чрезвычайно широком спектре отраслей промышленности. Это не нишевый материал — это рабочая лошадка.

Автомобильная промышленность и транспорт

Автомобильная промышленность потребляет наибольшую долю мирового производства ковкого чугуна. Ключевые компоненты включают коленчатые валы, распределительные валы, корпуса дифференциалов, поворотные кулаки, рычаги подвески и тормозные суппорты. Типичный пассажирский автомобиль содержит От 30 до 60 кг ковкого чугуна . Усталостная прочность и обрабатываемость материала делают его идеальным для вращающихся и возвратно-поступательных частей силовых агрегатов, для которых в противном случае потребовались бы дорогостоящие стальные поковки.

Инфраструктура водоснабжения и водоотведения

Трубы из ковкого чугуна в значительной степени заменили трубы из серого железа и бетона в системах водоснабжения и канализации во всем мире. Сочетание высокой прочности на разрыв, гибкости при движении грунта, коррозионной стойкости (особенно при использовании цементной футеровки) и длительного срока службы— от 50 до 100 лет ожидаемо — делает его предпочтительным материалом для муниципальных водопроводов, напорных труб и фитингов. AWWA C151/A21.51 регулирует спецификации труб из ковкого чугуна в Северной Америке.

Сельскохозяйственная и строительная техника

Корпуса мостов тракторов, корпуса гидроцилиндров, корпуса коробок передач и компоненты навесного оборудования обычно отливаются из ковкого чугуна. Материал выдерживает ударные нагрузки от пересеченной местности и полевых работ, которые могут привести к растрескиванию серого чугуна, обеспечивая при этом лучшую обрабатываемость и более низкую стоимость, чем эквивалентные стальные отливки.

Нефть, газ и клапаны

Задвижки, шаровые краны, обратные клапаны и корпуса клапанов для промышленных трубопроводов обычно отливаются из ковкого чугуна марки 65-45-12 или 80-55-06. Способность материала выдерживать давление, возможность обработки прецизионных посадочных поверхностей и коррозионная стойкость делают его предпочтительным по сравнению с серым чугуном для любого применения, где разрыв корпуса клапана может быть событием безопасности.

Ветроэнергетика

Крупноформатные отливки из ковкого чугуна являются важнейшими конструктивными компонентами ветряных турбин. Отливки ступиц для турбин мощностью в несколько мегаватт могут весить от 10 до 30 тонн , с рамами гондол, корпусами коренных подшипников и отливками замка несущего винта, также изготовленными из ковкого чугуна. Сочетание высокой прочности, усталостной стойкости и возможности отливать полые конструкции сложной формы с большой толщиной сечения делает ковкий чугун незаменимым в этом применении.

Ограничения и соображения при использовании ковкого чугуна

Ковкий чугун не является универсальным решением. Понимание его ограничений предотвращает дорогостоящие ошибки проектирования и неправильное применение материалов.

• Чувствительность раздела: Механические свойства ухудшаются в очень толстых поперечных сечениях (от 75 до 100 мм), где медленная скорость охлаждения в центре уменьшает шаровидность и способствует образованию перлита или карбида. Большие отливки требуют тщательной настройки сплава и могут нуждаться в термической обработке для достижения одинаковых свойств по всей длине.
• Меньшая пластичность при низких температурах: В отличие от стали, ковкий чугун не сохраняет ударную вязкость по Шарпи при минусовых температурах. Ниже примерно -20°С Стандартный ферритный ковкий чугун претерпевает переход из пластичного состояния в хрупкое. Для применения при низких температурах требуются специальные марки с низким содержанием кремния или никеля.
• Сварка сложна: Ковкий чугун is weldable but requires careful preheat (typically от 250°С до 400°С ), соответствующие присадочные металлы (электроды на основе никеля или электроды с высоким содержанием никеля) и контролируемое охлаждение после сварки для предотвращения растрескивания. Сварка — это метод ремонта, а не метод соединения большинства компонентов из ковкого чугуна.
• Коррозионная стойкость средняя: Ковкий чугун корродирует в агрессивных средах, особенно в богатых хлоридом почвах и кислых условиях. Защитные покрытия (цементное покрытие, эпоксидная смола, цинк) являются стандартными для подземной инфраструктуры. Незащищенный ковкий чугун не следует использовать в погруженных или подземных условиях без защиты от коррозии.
• Плотность выше, чем у алюминия: В 7,1 г/см³ — по сравнению с 2,7 г/см³ алюминия — ковкий чугун тяжелее. Для применений, где вес критически важен, где преимущества прочности ковкого чугуна не требуются, отливки из алюминия или магния могут быть более подходящими.

Обрабатываемость и чистовая обработка ковкого чугуна

Машины из ковкого чугуна лучше по сравнению со сталью, хотя он несколько более абразивен, чем серый чугун, из-за компактных графитовых узелков. Графит серого чугуна обеспечивает встроенный смазочный эффект, который незначительно снижает износ инструмента; Сфероидальный графит ковкого чугуна не дает таких же преимуществ.

• Скорость резки: Ферритные марки (60-40-18, 65-45-12) обрабатываются на скоростях резания от 150 до 250 м/мин с твердосплавным инструментом. Перлитные марки (80-55-06, 100-70-03) требуют пониженных скоростей со 100 до 180 м/мин из-за более высокой твердости.
• Поверхностная обработка: Ковкий чугун можно обрабатывать до чистоты поверхности Ra от 0,8 до 1,6 мкм с помощью стандартного твердосплавного инструмента, который подходит для большинства уплотнительных и несущих поверхностей без шлифования.
• Покрытие и обработка поверхности: Ковкий чугун хорошо переносит гальванопокрытие, фосфатирование, покраску, порошковое покрытие и термическое напыление. Пламенная и индукционная закалка перлитных марок позволяет достичь поверхностной твердости от 50 до 58HRC для поверхностей, критичных к износу, таких как кулачки распределительного вала и шейки коленчатого вала.