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 : 2,8-3,4% (относительно высокий)
- Кремний : 0,4-0,8% (относительно мало)
- Марганец : 0,4-0,6%
- Сера : 0,12-0,25%
- Фосфор : 0,1%
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
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
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.