Що таке ковкий чавун?

1. Вступ

Ковкий чавун, часто називають чавуном з шаровидним графітом або чавуном із шаровидним графітом.

У 1948, Кіт Мілліс виявив, що додавання невеликої кількості магнію до розплавленого заліза створює майже сферичні вузлики графіту, а не пластівці.

Цей прорив дав ковкий чавун (ВІД), який поєднує в собі ливарну здатність і економічність із помітно покращеною міцністю на розрив і подовженням.

У цій статті розглядається фундаментальна природа ковкого чавуну, його хімічний склад і мікроструктуру, механічні показники, маршрути обробки, Корозійна стійкість,

ключові програми, переваги та обмеження, і порівняння з альтернативними матеріалами.

2. Що таке ковкий чавун?

Ковкий чавун (ВІД) кваліфікується як сімейство чавуну, що характеризується сфероїдальністю (вузлуватий) включення графіту, рівномірно дисперговані в металевій матриці.

На відміну від лускоподібного графіту сірого чавуну, схильність до концентрації стресу, Графітові конкреції DI зупиняють поширення тріщин, забезпечення пластичної поведінки.

Ковкий чавун усуває розрив у продуктивності між сірим чавуном і низьколегованою сталлю.

Виробники використовують ковкий чавун для компонентів, які піддаються циклічним навантаженням, де має значення як висока міцність, так і стійкість до ударів.

Більше, Оброблюваність DI та здатність майже чистої форми зменшують витрати на подальшу обробку.

3. Хімічний склад і системи сплавів

Базовий склад: Fe–C–Si–Mn–P–S

В основі ковкого чавуну лежить типова шихта сірого чавуну—прасувати (Феод), вуглець (C), кремнію (І), марганець (Мн), фосфор (С), і сірка (S).

Представницький хімічний діапазон для загального сорту (ASTM A536 65-45-12) може бути:

• C: 3.5 - 3.8 мас %
• І: 2.2 - 2.8 мас %
• Мн: 0.1 - 0.4 мас %
• С: ≤ 0.08 мас %
• S: ≤ 0.025 мас %

Високий вміст кремнію (≥ 2 мас %) сприяє утворенню графіту, а не цементиту, при низькому вмісті сірки (< 0.025 мас %) запобігає надлишкові включення, які перешкоджають утворенню вузликів.

Нодулізуючі елементи: Магній (Мг), церій (Ce), і рідкісні землі (Re)

Вузлоподібність у ковкому чавуні зазвичай виникає внаслідок додавання магнію 0.03% - 0.05% Мг— до розплавленого заліза.

Ливарні заводи вводять магній через Mg–Fe лигатури або порошкові дроти. Сильна спорідненість магнію з сіркою утворює MgS, тому вони суворо контролюють вміст сірки 0.025%.

Багато ливарних заводів також додають 0.005 - 0.01 мас.% церію або рідкоземельних елементів для уточнення форми та розміру вузлика, поліпшення механічної консистенції, особливо на товстих ділянках.

Ці добавки RE ще більше зменшують чутливість до коливань вмісту сірки та кисню.

Додаткове легування: Мідь (Куточок), Нікель (У), Молібден (Mo), Хром (Cr)

Щоб адаптувати силу, міцність, або резистентність до корозії, ливарні заводи включають вторинні легуючі елементи:

• Мідь (Куточок): 0.2 - 0.5 мас % прискорює утворення перліту, підвищення міцності шляхом 10 - 20 %.
• Нікель (У): 0.5 - 1.5 мас % підвищує міцність при низьких температурах і стійкість до корозії.
• Молібден (Mo): 0.2 - 0.4 мас % покращує прогартовуваність і стійкість до повзучості для роботи при вищих температурах.
• Хром (Cr): 0.2 - 0.5 мас % забезпечує помірну стійкість до корозії та міцнішу мікроструктуру.

Типово, марки ковкого чавуну залишаються в межах 1 - 2 мас % комбінованої Cu + У + Mo + Cr, забезпечення економічної ефективності при досягненні цільових показників.

Стандарти та оцінки

• ASTM A536 (США): 60-40-18, 65-45-12, 80-55-06 оцінки.
• ISO 1083 (Європа): EN-GJS-400-15, GJS-450-10, GJS-700-2.
• ВАШ ОДИН 1563 (Німеччина): GG-25, ГС-32, Еквіваленти GS-45.

4. Фізико-механічні властивості ковкого чавуну

Сила на розрив, Похідна сила, і пластичність

Фірмовий знак ковкого чавуну поєднання високої міцності і помітної пластичності:

Навпаки, дає лише стандартний сірий чавун 200 - 300 MPA міцність на розрив практично без подовження.

Оскільки графітові конкреції DI запобігають утворенню тріщин, подовження стрибає до двозначного числа для сортів нижчої міцності.

Твердість і зносостійкість

Твердість ковкого чавуну в діапазонах 170 - 320 HB, в залежності від сорту і матриці:

• Феритний клас (60-40-18) доставляє навколо 170 HB, підходить для виливків загального призначення (колектори, рамки).
• Високоміцний перлітний сорт (80-55-06) досягає 260 - 320 HB, конкурує з низьколегованою сталлю по зносостійкості для передач, зірочки, і робочі колеса насоса.

Коли критична зносостійкість, виробники часто вибирають загартований ковкий чавун (ADI),

який досягає 300 - 450 HB Після термічної обробки, балансування твердості із залишковою в'язкістю.

Витривалість і ударна в'язкість

Сферичний графіт ковкого чавуну значно покращує показники втоми:

• Обмеження втоми зазвичай стоїть на ≈ 40% ОТС. для a 65-45-12 клас (UTS ≈ 500 MPA), втома витривалість досягає 200 MPA при 10⁷ циклах при зворотному згинанні.
• Ударна в'язкість (V-подібна виїмка Шарпі на 20 ° C) коливається від 15 - 60 J, в залежності від сорту. Меншої міцності, сорти, багаті феритом, поглинають до 60 J, тоді як повністю перлітні сорти опускаються до 15 J.

Ці значення перевершують сірий чавун (10 - 20 J) і наближаються до низьколегованої сталі, що робить ковкий чавун ідеальним для застосування з високим циклом, наприклад колінчастих валів і шатунів.

Модуль пружності та демпфуюча здатність

На відміну від сірого чавуну 100 - 120 GPA модуль, вимірювання модуля ковкого чавуну 170 - 200 GPA, приблизно відповідає низьколегованій сталі.

Це висока жорсткість, у поєднанні з амортизаційною здатністю навколо 0.005 до 0.010 (логарифмічний декремент),

гарантує, що деталі з ковкого чавуну протистоять прогину під навантаженням, одночасно послаблюючи вібрації — корисно для компонентів двигуна та баз машин.

Теплопровідність і Коефіцієнт теплового розширення

Теплопровідність ковкого чавуну аналогічна теплопровідності сірого чавуну та сталі, забезпечує ефективне розсіювання тепла в блоках двигуна та гальмівних барабанах.

Його коефіцієнт теплового розширення (~ 12 × 10⁻⁶/°C) щільно прилягає до сталі, спрощення багатоматеріального дизайну.

5. Корозійна поведінка та стійкість до навколишнього середовища

Пасивні плівки та окислення поверхні

Ковкий чавун утворює оксид заліза (Fe₃O₄/Fe₂O₃) плівка під впливом кисню. Цей пасивний шар уповільнює подальше окислення в м'якому середовищі.

Легуючі добавки як 0.5 - 1.5% У або 0.2 - 0.5% Cr покращити корозійну дію шляхом стабілізації пасивної плівки.

На відміну від сірого чавуну, який може утворювати точкову конструкцію, матриця DI може краще протистояти локальній атаці, особливо з покриттям.

Порівняльна швидкість корозії проти. Сірий чавун і сталь

У кожному випадку, Швидкість корозії ковкого чавуну залишається приблизною 50% що з сірого чавуну і 30–40% що з м'якої сталі.

Подача заявки епоксидні або поліуретанові покриття зменшує корозію DI до < 0.01 мм/рік в агресивних середовищах.

При закопуванні або зануренні, працюють дизайнери цинкові або алюмінієві жертвуючі аноди для захисту трубопроводів і арматури з ковкого чавуну без покриття.

Контроль корозії: Покриття, Катодний захист, і вибір матеріалу

• Покриття: Міцна епоксидна смола (200 мкм) або полум'яним напиленням цинк/алюміній шари подовжують термін служби на морських або хімічних заводах.
• Катодний захист: Струмові або тимчасові аноди підтримують цілісність труб з ковкого чавуну в підземних або підводних установках.
• Вибір матеріалу: У сильно корозійних умовах (pH < 3 або хлорид > 10 000 PPM), уточнюють інженери Ni-легований DI або нержавіюча сталь замість стандартних оцінок.

6. Процеси виробництва ковкого чавуну

Методи формування: Пісочний кастинг, Лиття оболонки, і лиття по моделлю

• Лиття із зеленого піску залишається переважаючим методом. Ливарні заводи пакують кварцевий пісок із глиною або хімічними зв’язуючими речовинами в колби навколо візерунків.
  Піщані форми вміщують стояки, ядер, і системи лініювання, розроблені для плинності DI. Типова мінімальна товщина профілю коливається 6 - 8 мм щоб уникнути дефектів усадки.
• Лиття оболонки використовує нагріту вкриту смолою піщану суміш, натиснуту навколо нагрітого металевого малюнка.
  Цей процес дає обробка поверхні Ra = 1–3 мкм і допуски ± 0.3 мм, з надбавкою до вартості ~ 20 % над зеленим піском.
• Інвестиційне кастинг (Втрачений віск) полегшує тонкі ділянки (до 3 мм) і складні геометрії з допусками ± 0.1 мм.
  Однак, ковкий чавун виплавляють команду 2–3× вартість піщанолитого еквівалента, обмеження використання малооб’ємних або складних частин.

Термічна обробка: Відпал, Нормалізація, Загартування (ADI)

Термічна обробка адаптує матрицю DI та механічні характеристики:

• Відпал: Повільне охолодження від 900 ° C до кімнатної температури створює повністю феритну матрицю, максимізація пластичності (~ 18 % подовження) і оброблюваність (400 МПа UTS).
• Нормалізація: Опалення до 900 - 920 ° C з подальшим повітряним охолодженням дає збалансовану феритно-перлітну мікроструктуру, пропозиція UTS ≈ 450 МПа і 12 % подовження.
• Загартування (ADI): Відливання з ковкого чавуну піддається розчиненню при 900 ° C для розчинення карбідів, потім загартування в сольову ванну при 250 - 375 ° C для 1 - 4 годинник.
  Це виробляє a бейнітний ферит + збагачений вуглецем залишковий аустеніт структура.
  Оцінки ADI коливаються від 400 МПа до 1 400 MPA UTS, з подовженнями між ними 2 - 12 %, і виняткову стійкість до втоми (межі витривалості до 400 MPA).

Постобробка: Обробка, Поверхнева обробка, Покриття

• Обробка: машини з ковкого чавуну подібно до вуглецевої сталі. Типові швидкості повороту для 65-45-12 наведіть курсор на 150–250 м/я з твердосплавним інструментом.
  Діапазон швидкостей свердла 50–100 м/я. Змащування охолоджуючою рідиною запобігає утворенню країв. Відсутність у DI пластівчастого графіту зменшує відколи інструменту.
• Поверхнева обробка:

• • Вибух зі сталевим зерном (20–40 меш) видаляє пісок і забезпечує матове покриття (Рак 2 - 5 мкм).
  • Шліфування/полірування досягає Ра < 0.8 мкм для герметизації поверхонь.

• Покриття:

• • Епоксидне/порошкове покриття: Відкладає плівку 50–200 мкм для захисту від корозії в морських або промислових середовищах.
  • Металізація (Цинк або алюміній): Термічний спрей наноситься a 100 - 150 мкм жертвувальний шар для заглиблених або занурених частин.

7. Що таке аустемперований ковкий чавун (ADI)

Аустемперований ковкий чавун (ADI) представляє спеціалізований підклас ковкого чавуну, який пропонує виняткову комбінацію міцності, пластичність, і стійкість до втоми.

На відміну від звичайного ковкого чавуну, який зазвичай має феритно-перлітну або повністю перлітну матрицю,

Унікальна мікроструктура ADI складається з тонких бейнітні феритові пластини занурений у матрицю збагачений вуглецем залишковий аустеніт.

Ця мікроструктура виникає в результаті триетапного процесу термічної обробки: розчинення, загартування до проміжної температури, і аустемперування.

Після завершення, аустотемперований ковкий чавун забезпечує міцність на розрив настільки високу, як 1 400 MPA (в ADI 900-650 клас) при збереженні подовження в 2 - 5% діапазон.

Маршрут виробництва аустемперованого ковкого чавуну: Розчищення, Гасіння, і Austempering

Основні етапи обробки аустемперованого ковкого чавуну включають:

1. Розчищення: Нагрійте виливки з ковкого чавуну до 880 - 920 ° C протягом 1–2 годин для розчинення карбідів і гомогенізації вуглецю.
2. Гасіння: Перевести в сольову ванну при 250 - 375 ° C. Ця проміжна температура запобігає мартенситу.
3. Загартування: Тримайте, поки матриця не перетвориться на бейнітний ферит плюс збагачений вуглецем залишковий аустеніт— як правило 1– 4 години, залежно від товщини профілю.
4. Охолодження: Гартують на повітрі або в маслі до кімнатної температури, замикання в бейнітній мікроструктурі.

Мікроструктура аустемперованого ковкого чавуну: Бейнітний ферит і збагачений вуглецем аустеніт

Мікроструктура ADI складається з:

• Бейнітні феритові голки: Надзвичайно тонкі феритові леза з α-заліза, які зароджуються на межі аустеніту.
• Незалишений аустеніт: Збагачені вуглецем аустенітні плівки, які зберігають стабільність при кімнатній температурі, поглинання напруги та підвищення міцності.

Ця комбінація надає a «перетворення-жорсткість» ефект: під дією напруги, залишковий аустеніт перетворюється на мартенсит, локальне зміцнення матриці.

Механічні переваги: Високий баланс між міцністю та пластичністю, Втома

Порівняно з нормалізованим ковким чавуном аналогічного складу, austempered ковкий чавун досягає до 50% вище UTS при збереженні 2 - 5% подовження.

Його стомлюваність часто перевищує 400 MPA, перевершує як сірий чавун, так і багато легованих сталей при зворотному вигині.

Типове застосування аустемперованого ковкого чавуну

Інженери використовують загартований ковкий чавун, де висока зносостійкість, висока сила, і надійна втомна довговічність мають значення:

• Автомобільний: Шестерні, колінчасті вали, розподільні вали, і сепаратори підшипників.
• Сільськогосподарська техніка: Зірочки, носити пластини, і роликові вали.
• Нафта & Газовий: Свердловинний інструмент, вали насосів, і компоненти клапанів, які потребують стійкості до корозії.
• Гірничодобувне обладнання: Решітки, валки дробарки, і футеровки млина піддаються впливу абразивного пилу.

8. Застосування ковкого чавуну

Автомобільні компоненти: Колінчасті вали, Шестерні, Деталі підвіски

Автовиробники використовують високу втомну міцність ковкого чавуну (≥ 250 MPA) і демпфування для колінчастих і розподільних валів у двигунах середнього навантаження.

Шестерні з ковкого чавуну витримують ударні навантаження, одночасно знижуючи рівень шуму. Важелі керування та поворотні кулаки виграють від жорсткості DI (E ≈ 180 GPA) і ударостійкість.

Транспортування трубопроводів і рідин: Труби, Фланці, Корпуси насосів, Тіла клапана

Системи труб з ковкого чавуну (EN-GJS-400-15) транспортувати питну воду або стічні води під тиском до 25 бар.

Клапани та фланці з ковкого чавуну стійкі до циклічних стрибків тиску. Швидкість корозії при лужному або нейтральному pH залишається мінімальною, роблячи DI рентабельним порівняно з нержавіючої сталлю в багатьох застосуваннях маршрутизації.

Сільськогосподарське та будівельне обладнання: Зірочки, Ролики, Рамки

Компоненти польового обладнання регулярно стикаються з абразивним ґрунтом і високими механічними навантаженнями.

Зірочки з ковкого чавуну і роликові вали досягають перевищений термін служби 1 000 годинник в суворих середовищах,

в той час як рами та конструкційне лиття мінімізують витрати на зварювання та покращують довговічність.

Енергетичний сектор: Корпуси вітрових турбін, Корпуси коробки передач, Нафтопромислові компоненти

Висока амортизація ковкого чавуну гасить крутильні коливання в коробках передач вітрових турбін, підвищення надійності.

Корпуси коробок передач, виготовлені з ADI, зменшують вагу на 10% порівняно зі сталлю та меншою інерцією ротора.

На нафтопромислах, Свердловинні інструменти та корпуси клапанів витримують корозійні розсоли, витримуючи циклічний тиск до 50 MPA.

Побутова техніка та інструменти

Ковкий чавун забезпечує термічну масу та довговічність посуду (Голландські печі, чавунні сковороди).

Корпуси торцевих ключів із ковкого чавуну та трубних ключів поглинають удари без руйнування, продовження терміну служби інструменту.

9. Основні плюси та мінуси ковкого чавуну

плюси

Збалансована міцність і міцність:

Ковкий чавун забезпечує міцність на розрив 400–1 000 MPA і подовження 2–18%, досягнення чудового співвідношення міцності та ваги.

В автомобільних додатках, наприклад, вага колінчастого вала може знизитися 20–30% порівняно зі сталевими аналогами.

Відмінна стійкість до зношування та втоми:

Конкреції сфероїдального графіту мінімізують концентрацію напруги, дозволяючи межі втоми до 300 MPA.

Це робить ковкий чавун ідеальним для зубчастих передач, компоненти підвіски, та інші частини при циклічному навантаженні.

Чудова здатність до лиття:

З відносно низьким рівнем ліквідусу 1 150–1 200 ° C і хороша текучість, ковкий чавун утворює складну геометрію з мінімальною усадкою (0.8–1,0%).

Витрати на лиття та механічну обробку працюють 30– на 50% нижче ніж аналогічні сталеві поковки.

Корозійна та термічна стійкість:

Графітові вузлики створюють природний бар’єр проти корозії. Після обробки поверхні, арматура з ковкого чавуну часто служить століття в грунті або воді.

Витримує температуру до 300 ° C з низьким коефіцієнтом теплового розширення.

Економічна ефективність:

Сировина коштує недорого, і плавлення вимагає відносно мало енергії.

Сучасні марки, такі як загартований ковкий чавун, наближаються до високоміцних сталей після термічної обробки, пропонуючи значну загальну економію коштів.

мінуси

Жорсткий контроль процесу:

Досягнення рівномірних вузликів вимагає точного контролю Mg/Ce рівні та мінімальний вміст сірки/кисню. Гарантія якості збільшує складність і вартість виробництва.

Обмежена продуктивність при високих температурах:

вище 350 ° C, міцність різко падає, а огрубіння графіту призводить до повзучості.

Ковкий чавун непридатний для випускних колекторів або інших компонентів, які постійно нагріваються..

Проблеми обробки:

Високий вміст вуглецю вимагає попереднього нагрівання або відпалу після зварювання для запобігання розтріскування.

Графіт швидко зношує інструменти, які потребують твердосплавних різців і спеціальних стратегій обробки.

Нижня жорсткість:

З модулем пружності навколо 160–170 ГПа (проти сталі ≈ 210 GPA), ковкий чавун сильніше деформується під навантаженням. Для компенсації дизайнерам часто потрібні більш товсті секції.

Вплив на навколишнє середовище:

Плавлення та утворення вузлів споживають значну кількість енергії та можуть генерувати забруднюючі речовини.

Утилізація відходів повинна відповідати нормативним нормам. У морському або кислому середовищі, ковкий чавун вимагає додаткових захисних покриттів.

10. Порівняння з іншими матеріалами

Коли інженери оцінюють ковкий чавун (ВІД) для конкретного застосування, вони часто порівнюють його властивості з властивостями сірого чавуну, ковкий чавун, сталеві сплави, алюміній, і бронза.

Сірий чавун проти. Пластичне залізо

Ковкий чавун проти. Пластичне залізо

Сталеві сплави проти. Пластичне залізо

Ковкий чавун проти. Алюміній і бронза

Коли віддавати перевагу ковкому чавуну

• Cyclic or High-Load Components: DI’s combination of tensile strength (≥ 500 MPA), fatigue endurance (≥ 200 MPA), and damping makes it ideal for колінчасті вали, шестерні, і важелі підвіски.
• Near-Net-Shape Complexity: Sand or shell casting ductile cast iron reduces machining allowances by 30–50% compared to steel, lowering overall part cost.
• Cost-Sensitive Medium-Volume Production: When steel forgings or machined aluminum incur excessive costs, ductile iron offers a balance of performance and economy.
• Corrosive or Wear-Resistant Fittings: With suitable coatings or alloying, ductile cast iron pipelines and pump housings endure decades in aggressive environments.

Коли переважають інші матеріали

• Ultra-Lightweight Requirements: In aerospace fuselage skins, electric vehicle bodies, or portable electronics, aluminum or magnesium alloys deliver unmatched weight savings.
• Extreme Corrosive Environments: Splash zones, хлоровані технологічні лінії,
  або кислий дренаж часто вимагає нержавіючої сталі (Напр., 316, дуплекс) чиї пасивні плівки перевершують покриття DI або леговані бар'єри.
• Служба при високих температурах (> 350 ° C): У компонентах турбіни або випускних колекторах,
  суперсплави на основі нікелю або жароміцні сталі (Напр., 17-4 РН) підтримувати міцність там, де ковкий чавун зазнає повзучості.
• Максимальна міцність і зварюваність: Переважними при куванні залишаються конструкційні сталеві балки та плаковані трубопроводи, зварювання, або холодне формування вимагають послідовного, документально підтверджена продуктивність.

11. Висновок

Ковкий чавун виділяється як універсальний, економний інженерний матеріал.

Його сфероїдальний графіт мікроструктура забезпечує рідкісне поєднання висока міцність на розрив, значна пластичність, і відмінна стійкість до втоми.

Виробники можуть відливати майже чисті форми, мінімізувати подальшу механічну обробку, і адаптувати властивості за допомогою термічної обробки, особливо у формі загартованого ковкого чавуну (ADI).

Незважаючи на невелику вразливість до корозії, можливість вторинної переробки ковкого чавуну, амортизаційна здатність,

і широкий діапазон стандартизованих класів роблять його незамінним в автомобільній промисловості, трубопровід, сільськогосподарський, енергія, і споживчі ринки.

В Це, ми готові співпрацювати з вами у використанні цих передових методів для оптимізації дизайну ваших компонентів, вибір матеріалів, і виробничі робочі процеси.

гарантуючи, що ваш наступний проект перевищить усі показники продуктивності та стійкості.

Зв’яжіться з нами сьогодні!

 

Поширені запитання

Чим відрізняється ковкий чавун від сірого?

Ковкий чавун (ВІД) містить сфероїдальний (вузлуватий) графіт а не лускатий графіт, який міститься в сірому чавуні.

Ці сферичні вузлики притупляють поширення тріщини, дає значно вищу міцність на розрив (400–900 МПа) і подовження (3–18 %) порівняно з сірим чавуном 200–300 МПа і < 2 % подовження.

Які міркування обробки стосуються ковкого чавуну?

Машини з ковкого чавуну подібні до вуглецевої сталі, але вимагають твердосплавний інструмент через високовуглецеві конкреції.

Рекомендовані швидкості різання від 150–250 м/я, з подачею 0,1–0,3 мм/об.

Правильне використання охолоджуючої рідини запобігає утворенню країв. Для марок високої твердості або ADI може знадобитися менша швидкість або керамічні інструменти, щоб уникнути передчасного зносу.

Як ковкий чавун порівнюється за вартістю з альтернативними матеріалами?

• Ковкий чавун Vs. Сіре залізо: Вартість сировини з ковкого чавуну ~ 10–20 % вище.
  Однак, зменшена товщина стінки та припуски на обробку часто дають загальну вартість деталей 20–30 % нижчий у критичних до міцності застосуваннях.
• Сталь Vs. Ковкий чавун: Виливки з ковкого чавуну часто коштують 20–50 % менше, ніж еквівалентні сталеві поковки або важкі механічні компоненти.
• Алюміній/бронза Vs. Ковкий чавун: Ковкий чавун дешевше за кг, ніж бронза (2– в 3 рази вища вартість) і, хоча і важчий за алюміній,
  забезпечує набагато більшу міцність, втома життя, і менші витрати на матеріали, коли вага не є основною проблемою.