Ковкий чугун

Ковкий ( лат. Темпера , умеренный ) - это чугун , который из-за своего химического состава и процесса затвердевания в соответствии с метастабильной диаграммой системы железо-углерод затвердевает графит, а в то время как твердый , хрупкий возникает в форме. . Последующая термообработка , отпуск вызывает структурное преобразование. Цементит в литых структурах только сделан распадаются после особенно долго отжига времени. Полученный графит известен как темперированный углерод и характеризуется характерной узловатой формой. Благодаря этой форме хлопья закаленного углерода не нарушают взаимосвязь между металлической основной массой и с потенциальным эффектом надреза, как пластинки графита в чугуне с пластинчатым графитом . Это основная причина, по которой ковкий чугун имеет лучшие механические свойства, чем обычный чугун с пластинчатым графитом, и поэтому его можно охарактеризовать как прочный и легко поддающийся обработке. Ковкий чугун делится на черный и белый ковкий чугун в зависимости от внешнего вида излома.

Ковкий чугун

Структура ковкого чугуна состоит из перлита и ледебурита. Это достигается за счет корректировки химического состава в зависимости от толщины стенок отливаемых деталей. Для всех типов ковкого чугуна решающее значение имеет сумма содержания углерода и кремния от 3,7 до 3,8 процента. При высоком содержании кремния и в прочных, медленно остывающих частях графит часто выпадает в осадок во время затвердевания. Эти ламели, расположенные как гнезда, приводят к разрушению. Температура выпуска имеет такое влияние на макроструктуру, потому что чем она выше, тем больше естественных или чужеродных зародышей расплавляется и расплав экзогенно затвердевает . Высокое содержание углерода (2,6%) также вызывает экзогенное затвердевание первичного аустенита.

Белый ковкий чугун

стандартизация

Белый ковкий чугун стандартизирован в DIN 1692 (старый) и DIN EN 1562 (новый с 09.97). Старое короткое имя - GTW, а новое - GJMW. Аббревиатура состоит из (EN-) GJ для чугуна, M для ( ковкий чугун: чугун для отжига ) и W для ( белый: белый), помимо прочего, к сокращению должны быть добавлены механические свойства и / или химический состав. При необходимости могут быть указаны дополнительные требования, например EN-GJMW-350. В DIN EN 1562 записано пять типов:

Аббревиатура *** номер Диаметр образца минимальная прочность на разрыв R м минимальное удлинение A 3,4 минимальный предел текучести R p0.2
EN-GJMW-350-4 (GTW-35-04) EN-JM1010 6 мм 270 Н / мм² 10% ка *
9 мм 310 Н / мм² 5% ка
12 мм 350 Н / мм² 4% ка
15 мм 360 Н / мм² 3% ка
EN-GJMW-360-12 (GTW-S38-12) ** EN-JM1020 6 мм 280 Н / мм² 16% ка *
9 мм 320 Н / мм² 15% 170 Н / мм²
12 мм 360 Н / мм² 12% 190 Н / мм²
15 мм 370 Н / мм² 7% 200 Н / мм²
EN-GJMW-400-5 (GTW-40-05) EN-JM1030 6 мм 300 Н / мм² 12% ка *
9 мм 360 Н / мм² 8% 200 Н / мм²
12 мм 400 Н / мм² 5% 220 Н / мм²
15 мм 420 Н / мм² 4% 230 Н / мм²
EN-GJMW-450-7 (GTW-45-07) EN-JM1040 6 мм 330 Н / мм² 12% ка *
9 мм 400 Н / мм² 10% 230 Н / мм²
12 мм 450 Н / мм² 7% 260 Н / мм²
15 мм 480 Н / мм² 4% 280 Н / мм²
EN-GJMW-550-4 (GTW-55-04) EN-JM1050 6 мм ка ка ка *
9 мм 490 Н / мм² 5% 310 Н / мм²
12 мм 550 Н / мм² 4% 340 Н / мм²
15 мм 570 Н / мм² 3% 350 Н / мм²
* Из-за трудностей определения предела текучести на небольших образцах, значения и метод измерения должны быть согласованы между производителем и покупателем.
** Наиболее подходит для сварки
*** Информация в скобках согласно старому стандарту DIN 1692

Химический состав

Рекомендации по химическому составу ковкого чугуна

Углерод и кремний должны соответствовать друг другу (сумма углерода и кремния не должна превышать 3,8%), чтобы даже самые толстые поперечные сечения ковкого чугуна имели белую структуру без графита после затвердевания.

Производство (закалка)

Чтобы получить белый ковкий чугун, ковкий чугун (доэвтектический белый чугун ) подвергают отжигу («отжигу»). Это значительно снижает содержание углерода в отливке. Это немного усложняет отливку в краевой зоне. Необработанную отливку отжигают при 1000 ° C в течение примерно 60–120 часов в окислительной атмосфере (отпуск в токе газа). Происходят следующие реакции:

  • Реакция 1 (внутри отливки):
    Fe 3 C → 3Fe + C
  • Реакция 2 (на поверхности отливки):
    С + О 2 → СО 2
  • Реакция 3 (фактическое обезуглероживание - самопроизвольный процесс)
    CO 2 + C → 2CO к этому снова приходит O 2 + 2CO → 2CO 2

Цементита (Fe 3 C) , отливка распадается на три атомы железы и один углерода в первой реакции. Этот углерод вступает в реакцию с кислородом на поверхности отливки и тем самым выводится из отливки (реакция 2). В процессе выравнивания концентрации углерод от отливки продолжает диффундировать к краю отливки и соединяться с кислородом окружающего воздуха. Это постепенно обезуглероживает заготовку (реакция 3). В то же время оставшийся углерод в сердцевине отливки агломерируется, образуя узелки из отпущенного углерода. Обезуглероживание заготовки во многом зависит от продолжительности процесса отпуска и толщины стенок отливки. Равномерное обезуглероживание происходит только при толщине стенки 2-3 мм, при более толстых отливках происходит обезуглероживание только кромок и разложение цементита (Fe 3 C) на железо и отпущенный углерод.

Формирование структуры

Белый ковкий чугун V = 100: 1

Структура белого ковкого чугуна с толщиной стенок менее 3 мм состоит из ферритной матрицы и очень небольшого количества закаленного углерода (посередине) или совсем без них. При толщине стенок более 3 мм структура белого ковкого чугуна делится на три области:

  • Обезуглероженная краевая зона, состоящая из феррита. Поверхность часто содержит кайму с вкраплениями оксидов.
  • Зона перехода, состоящая из ферритной - перлитной основной матрицы и некоторые закаленный углерод узелков.
  • Центральная зона, состоящая из перлитной основной матрицы и небольших закаленных углеродных конкреций.

Глубину обезуглероживания определяют с помощью отожженного клинового образца. Их металлографический шлиф дает информацию об образовании структуры. В случае неправильного отпуска могут возникнуть дефекты конструкции. Например, графитовые гнезда могут привести к так называемому «грязному разрушению», они образовались в необработанной отливке. Также может происходить обезуглероживание, когда карбиды осаждаются на кромке феррита в виде вторичного цементита, возможно ледебурита .

Свойства и использование

Ковкий чугун является предпочтительным из-за технологической последовательности, используемой при производстве отливок. Ограничение штучного веса от нескольких граммов до 100 килограммов связано с производственным процессом. То же самое касается максимальной толщины стенок 20-30 мм. В прочности при растяжении возрастает с увеличением толщины стенки, так как с увеличением содержания перлита. Соответствующая обработка отпуска позволяет с высокой точностью и однородностью изменять определяющие качество свойства (например, узкие, самые твердые участки, хорошая обрабатываемость , высокая прочность и хорошая литье , а также возможность сварки и гальванизации ).

Свойства белого ковкого чугуна зависят от толщины стенки. Они делятся на:

  • механические свойства, такие как:
    • хорошее удлинение при разрыве (в зависимости от толщины стенки)
    • хорошая прочность на разрыв (увеличивается с увеличением процента перлита)
    • хорошая усталостная сила
    • легко поддается ковке, податливый
    • высокая прочность
  • физические свойства, такие как:
    • хорошая обрабатываемость
    • хорошие сварочные характеристики
    • легко гальванизировать
    • высокое качество поверхности
    • хорошая коррозионная стойкость (за счет оксидных слоев в краевой зоне)
    • могут быть закалены термохимической ( цементация )

заявление

Тонкостенные литые детали с хорошей усталостной прочностью для обработки на передаточных линиях; Благодаря своей пластичности он используется для компонентов, которые подвергаются динамическим нагрузкам (колебаниям или рывкам) и должны выдерживать высокие механические нагрузки (детали шасси и рулевого управления автомобилей, компоненты безопасности, требующие документации, регулировочные и крепежные элементы для построения схем). ; Фитинги и фитинги для строительства трубопроводов, многочисленные компоненты для электротехнической промышленности в силу их тепловых, электрических и магнитных свойств; несущие элементы высоковольтных и воздушных линий; Элементы коммутации, управления и передачи в машиностроении и сельхозмашиностроении; Из-за хорошей литейной способности и возможности получения очень тонкостенных конструкций с воспроизводимой точностью следует упомянуть свойства; Для изготовления замков и фурнитуры; Заготовки из ковкого чугуна предлагают широкий спектр возможностей для создания определенных свойств именно в той области компонентов, в которой они требуются (заменил многие другие материалы).

Черный ковкий чугун

стандартизация

Черный ковкий чугун также стандартизирован в DIN EN 1562. Старая аббревиатура GTS также была заменена на GJMB, GJ означает чугун, M означает «ковкий чугун», а B означает «черный».

Химический состав

Ковкий чугун обычно имеет доэвтектический состав. Из-за метастабильного затвердевания ковкого чугуна углерод присутствует в связанной форме в виде цементита (Fe 3 C) и, следовательно, не содержит графита. Ковкий чугун имеет серебристо-белую структуру излома, твердый и хрупкий, что делает его практически непригодным для технического использования. При отпуске цементит разрушается и растворяется в основной структуре, которая состоит из аустенита при температуре отжига. Расплавленный чугун, из которого делают черный ковкий чугун, имеет следующий состав:

  • Углерод: 2–2,9%
  • Кремний: 1,2-1,5% (относительно высокое)
  • Марганец: 0,4-0,6%
  • Сера: 0,12-0,18%
  • Фосфор: около 0,1%

Содержание углерода ниже, а содержание Si выше, чем в белом ковком чугуне.

Производство

Для производства чушковый чугун , стальной лом, ферросплавы и циркулирующий материал (из системы разливки и затвора отливок) сначала подают в вагранку (с горячим дутьем) для предварительной плавки . Для установки необходимой температуры разливки и химического состава к ней подключают дуговую электропечь или индукционную печь (дуплексный процесс).
Отжиг проходит в два этапа в нейтральной атмосфере. Благодаря нейтральной атмосфере чугун не обезуглероживается. Из-за высокого содержания углерода и кремния цементит полностью распадается на феррит и отпущенный углерод: Fe 3 C → 3Fe + C.

Отпускаемый углерод создается за счет осаждения элементарного углерода во время отжига в виде сучков или хлопьев. Внешний вид этих узлов зависит от соотношения марганец-сера. В результате материал приобретает свойства пластичности, аналогичные свойствам стали.
Первая стадия этой термообработки также называется первой стадией графитации. Эвтектические карбиды распадаются и растворяются в основной структуре (аустените) при 940–960 ° C в течение примерно 20 часов. Как упоминалось выше, элементарный углерод также выделяется в виде сучков отжига. Структура теперь состоит из аустенита и отпущенного углерода.

На втором этапе, который также известен как второй этап графитации, определяется базовая структура. Чтобы запустить вторую стадию, температуру понижают примерно до 800 ° C. Если затем температура медленно понижается (3-5 ° C в час) между 800 и 700 ° C или температура поддерживается между 760 и 680 ° C в течение нескольких часов, происходит стабильное эвтектоидное превращение. γ → α + C
Углерод, таким образом, имеет возможность диффундировать из аустенита в уже существующий отпущенный углерод и стать его частью. В этом случае структура состоит из феррита (матрицы) и графита и любых остатков перлита. Закалочный углерод равномерно распределен по всему поперечному сечению образца. Материал очень мягкий, состоит из феррита и графита. Пример: GJMB - 350 При быстром охлаждении на воздухе от 800 до 700 ° C происходит быстрое прохождение эвтектоидной области и создается эвтектоидная метастабильная затвердевшая структура перлита.

Быстрое охлаждение создает мартенситную структуру. После отпуска, он все еще может быть закаленным . При 600 ° C, например, получают GJMB - 700, при 700 ° C GJMB - 450. При 620 ° C образуется перлит (глобулярный цементит).

Особенностью черного ковкого чугуна является то, что структура не зависит от толщины стенки, за исключением узкой краевой зоны глубиной 0,2 мм без отпущенного углерода из-за отжига без обезуглероживания.

Формирование структуры

На первой стадии отжига цементит ледебурита распадается при 950 ° C на аустенит и отпущенный углерод. На втором этапе отжига аустенит распадается на феррит и отпущенный углерод. Базовая структура зависит от скорости охлаждения в области эвтектоида.

  • Ферритная основная структура
    При медленном охлаждении между 700 и 800 ° C (подробности см. Производство) эвтектоидное превращение происходит в стабильных условиях. γ → α + C
    Феррит образует матрицу, а отпущенный углерод равномерно распределяется, если примерно одинаковые условия охлаждения применяются на всех участках образца. Чем меньше марганца и серы, тем плотнее закаленный углерод. Марганец и сера предотвращают агломерацию графита в сферической форме, что приводит к образованию неровностей и узлов закаленного углерода.
  • Перлитная основная структура.
    При нагревании до 700–800 ° C, быстром охлаждении (предварительная закалка, см. Производство) материал становится метастабильным до перлита. γ → α + Fe 3 C. Здесь перлит образует основную структуру. Даже при таком затвердевании закалочный уголь может иметь различную конструкцию.
  • Мартенситная основная структура
    При очень быстром охлаждении возникает мартенситная структура. Диффузия подавляется очень высокой скоростью охлаждения. Частичное сжатие пространственной решетки создает решетку, которая искажается и растягивается углеродом, и создается мартенсит. Структура отпуска создается путем отпуска мартенситной структуры или контролируемого охлаждения этой структуры.
  • В смешанной структуре
    также может возникать ферритно-перлитная структура. Это происходит, когда затвердевание эвтектики является частично стабильным и метастабильным. Расплав → γ + C (стабильный) и расплав → γ + Fe 3 C (метастабильный).

Эвтектоидное преобразование снова метастабильно. В зависимости от скорости охлаждения следует ожидать структуры с различным количеством перлита, феррита и отпущенного углерода. Закалочный уголь может иметь разные формы, размеры и расположение.

Свойства и использование

Фитинг из черного ковкого чугуна (GJMB)

В целом, черный ковкий чугун имеет хорошие литейные качества, его также легче обрабатывать, чем GJMW (см. Обрабатываемость чугуна ), он может закаливаться, подвергаться термообработке и поверхностной закалке (для пламенной и индукционной закалки). Среди прочего, он используется для поршней, шестерен, деталей двигателя и толстостенных компонентов, таких как кожухи двигателя.

  • Ферритный GJMB-350
    Хотя эта структура имеет умеренную вязкость, она обладает хорошей пластичностью и отличной обрабатываемостью. Этот материал используется там, где есть требования к обрабатываемости. Пригоден для теплофизической закалки после двойного нагрева. Твердость материала соответствует ≤ 150 HBW 30, что соответствует ≤ 160 HV10.
  • Перлитный GJMB-450
    Этот материал имеет лучшую прочность и такую ​​же вязкость, как GJMB-350. Возможна закалка до 600 HV10 после предварительного двойного нагрева. Твердость материала соответствует 150–200 HBW 30, что соответствует 160–210 HV10.
  • GJMB-550
    Обрабатываемость этого материала не так хороша, как у предыдущих структур. Но если сравнить его с кованной сталью такой же прочности, то он отличный. Теплофизическая закалка здесь возможна даже без предварительного двойного нагрева. Твердость материала соответствует 180–230 HBW 30, что соответствует 190–240 HV10.
  • GJMB-650 Здесь
    главное требование - прочность. Этот материал имеет короткохрупкие стружки. В качестве альтернативы его можно использовать для кованой стали. Твердость материала соответствует 210–260 HBW 30, что соответствует 220–270 HV10.
  • Структура закалки GJMB-700 Те
    же свойства и применение, что и у GJMB-650. Твердость материала соответствует 240–290 HBW 30, что соответствует 250–300 HV10.

литература

  • Ковкий чугун - высокопрочный чугун. Федеральная ассоциация литейной промышленности Германии, техническая публикация, 2011 г.
  • Герман Шуман, Генрих Эттель: Металлография. 14-е издание, Wiley-VCH Verlag.

веб ссылки