Ковкий чугун – условное название мягкого и вязкого чугуна, получаемого из белого чугуна отливкой и дальнейшей термической обработкой. Используется длительный отжиг, в результате которого происходит распад цементита с образованием графита, то есть процесс графитизации, и поэтому такой отжиг называют графитизирующим. Ковкий чугун, как и серый, состоит из сталистой основы и содержит углерод в виде графита, однако графитовые включения в ковком чугуне иные, чем в обычном сером чугуне. Разница в том, что включения графита в ковком чугуне расположены в форме хлопьев, которые получаются при отжиге, и изолированно друг от друга, в результате чего металлическая основа менее разобщена, и чугун обладает некоторой вязкостью и пластичностью. Из-за своей хлопьевидной формы и способа получения (отжиг) графит в ковком чугуне часто называют углеродом отжига.

По составу белый чугун, подвергающийся отжигу на ковкий чугун, является доэвтектическим и имеет структуру ледебурит + цементит (вторичный) + перлит. Для получения структуры феррит + углерод отжига в процессе отжига должен быть разложен цементит ледебурита, вторичный цементит и цементит эвтектоидный, то есть входящий в перлит. Разложение цементита ледебурита и цементита вторичного ( частично) происходит на первой стадии графитизации, которую проводят при температуре выше критической (950 – 1000оС); разложение эвтектоидного цементита происходит на второй стадии графитизации, которую проводят путём выдержки при температуре ниже критической (740 – 720оС), или

_ 1 Кузьмин Б.А. и др. Металлургия. Металловедения и конструкционные материалы. М: “Высшая школа”, 1977, с.190.

при медленном охлаждении в интервале критических температур (760 – 720оС)

.

График режима отжига белого чугуна для получения ковкого чугуна.

Термическая обработка чугунов.

Термическую обработку чугунов проводят с целью снятия внутренних напряжений, которые возникают при литье и вызывают изменения размеров и формы отливки с течением времени, снижение твёрдости и улучшение обрабатываемости резанием, повышение механических свойств.

Чугун подвергают отжигу, нормализации, закалке и отпуску, а также некоторым видам химико-термической обработки (азотированию, алитированию, хромированию).

Отжигу для снятия внутренних напряжений подвергают чугуны при следующих температурах:

серый чугун с пластинчатым графитом 500 –570оС;

высокопрочный с шаровидным графитом 550 – 650оС;

низколигированный 570 – 600оС;

высоколигированный чугун (типа нирезист) 620 – 650оС1.

Нагрев медленный со скоростью 70 – 100оС/ час, выдержка при температуре нагрева зависит от массы и конструкции отливки и составляет от 1-го до 8-ми часов. Охлаждение до 250оС (для предупреждения возникновения термических напряжений) медленное, со скоростью 20 – 50оС /ч, что достигается охлаждением отливки вместе с печью. Далее отливки охлаждают на воздухе2.

При этом отжиге фазовых превращений не происходит, а снимаются внутренние превращения, повышается вязкость, исключается коробление и образование трещин в процессе эксплуатации.

Графитизирующий отжиг применяют для получения ковкого чугуна из белого чугуна и для устранения отбела отливок из серого чугуна.

_

1 Зуев В.М. Термическая обработка металлов. - М: “Высшая школа”, 1976, с.188.

2 Седов Ю.Е., Адаскин А.М. Справочник молодого термиста. – М:”Высшая школа”, 1986, с.112.

Для получения ковкого чугуна используют белый доэвтектический чугун (2,5 – 3,0 % С; 0,5 – 1,5 % Si; 0,3 – 1,0 % Mn; 0,08 – 0,2 % Р; не более 0,12 % S), в котором при отжиге происходит распад цементита с образованием графита – графитизация белого чугуна.

Графитизацию при температурах выше критической можно представить следующим образом:

Цементит аустенит и графит.

Процесс графитиззации начинается с возникновения графитных центров, которые наиболее легко зарождаются в местах нарушения сплошности – в закалочных и деформационных микротрещинах, усадочных микропорах. При появлении в белом чугуне центров графитизации нарушается равновесие между аустенитом и цементитом и в соответствии с диаграммой железоуглеродистых сплавов (линии ES, E’S’) возникает перепад концентрации углерода на границах раздела фаз: аустенит – графит и аустенит – цементит. В возникающей системе из трёх фаз – аустенита, графита и цементита аустенит не может одновременно находиться в равновесии с цементитом и графитом. Так как система стремится к равновесию из аустенита, который пересыщен в слое, прилегающем к графиту, будет выделяться избыток углерода и включения графита будут расти. Но при этом аустенит становится ненасыщенным в слое, который прилегает к цементиту, и происходит распад цементита и растворение углерода в аустените, что снова вызывает пересыщение аустенита в слое, который прилегает к графиту, и выделение из него избыточного углерода. Таким образом, распад цементита продолжается до полного его растворения в аустените, после чего между включениями графита и аустенита устанавливается равновесие. В результате такого распада образуется хлопьевидный графит (углерод отжига) , характерный для структуры ковкого чугуна.

В исходном состоянии белый доэвтектический чугун имеет структуру, которая состоит из перлита, вторичного и эвтектического цементита. При переходе через эвтектоидный интервал температур перлит превращается в аустенит, а при повышении температуры до 950-1000оС происходит распад цементита (эвтектического и вторичного) и образуется структура аустенит и графит. Этот процесс называют первой стадией графитизации.

Полной графитизации, то есть получения структуры, которая состоит из перлита и графита, можно достигнуть охлаждением чугуна;

1. в эвтектоидном интервале температур с такой скоростью, чтобы происходил прямой эвтектоидный распад аустенита на феррит и графит (А Ф + Г);

2. немного ниже эвтектоидного интервала температур с образованием из аустенита перлита [A П ( Ф + Ц )] с выдержкой при этой температуре для графитизации эвтектоидного цементита (Ц Ф + Г).

И в том и в другом случае будет получаться структура феррит и графит; этот процесс называют второй стадией графитизации. Если вместо ферритного ковкого чугуна требуется, чтобы структура была перлитной или феррито-перлитной, то вторую стадию графитизации совсем не проводят или не доводят до конца и после первой стадии графитизации или частично проведённой второй стадии охлаждают на воздухе. В первом случае будет получаться структура перлит и графит, во втором – феррит, перлит и графит.