Какие виды чугуна существуют. Чем качественно отличается сталь от чугуна? Основные характеристики и состав
сплав, в результате которого получают промышленные материалы
Понятие чугуна, история его открытия и потребления, производство чугуна, этапы производства чугуна, страны по реализации чугуна, общая характеристика чугуна, нахождение чугуна в природе, минералы чугуна, соединения чугуна, способы извлечения чугуна из твердых материалов, переработка чугуна, промышленные процессы обработки чугуна, свойства чугуна, области применения чугуна, чугун и проблемы экологии, связанные с ним, основные источники загрязнения окружающей среды чугуном, заболевания, возникшие в результате отравления чугуном, количественное определение чугуна, мировые запасы чугуна, добыча железных руд в мире, стоимость чугуна на мировых рынках, интересные факты о чугуне
Развернуть содержание
Свернуть содержание
Чугун - это, определение
Чугун - это крупный сосуд, горшок из чугуна, позднее также из алюминиевого сплава, округлой формы, для тушения и варки в русской печи. Особенностью чугуна является его форма, повторяющая форму традиционного глиняного печного горшка: зауженный к низу, расширяющийся к верхней части и снова сужающийся к горлу. Такая форма позволяет ставить чугун в печь и вынимать его из печи с помощью особого инструмента - ухватa, представляющего собою разомкнутое металлическое кольцо на длинной деревянной ручке.
Чугун - это сплав Fe (основа) с С (обычно 2 4%), содержащий постоянные примеси (Si, Mn, S, P), а иногда и легирующие элементы (Cr, Ni, V, Al и др.). Как правило, хрупок. Получают из железорудных материалов в доменных печах.
Чугун - это первая выплавка из , из коей, перекалкой и отжимкой под кричным молотом, добывается . Белый чугун, жесткий и хрупкий; серый и черный, мягкий.
Шары чугунные
Чугун - это общее обозначение различных форм железа, прежде всего, это серый чугун и болванки (сразу после выхода из ДОМЕННОЙ ПЕЧИ). Сюда относится целый ряд сплавов железа с углеродом и кремнием, содержание углерода колеблется от 1,7 до 4,5%.
Чугун - это сплав железа с углеродом (от 1,5 до 4 %), обычно содержит, кроме того, в незначительных количествах примеси кремния, марганца, фосфора и ; получается из железных руд доменным .
Чугун - это сплав железа с большим количеством углерода и другими элементами. Основная масса чугуна перерабатывается в .
Производство чугуна, стали, и проката
Чугун - это сплав железа с углеродом (и другими элементами). Содержание углерода в чугуне не менее 2,14%(точка предельной растворимости углерода в аустените на диаграмме состояний): меньше - сталь. Углерод придаёт сплавам железа твёрдость, снижая пластичность и вязкость. Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита и графита. В зависимости от формы графита и количества цементита, выделяют белый, серый, ковкий и высокопрочный чугуны. Чугуны содержат постоянные примеси (Si, Mn, S, P), а в некоторых случаях также легирующие элементы (Cr, Ni, V, Al и др.). Как правило, чугун хрупок.
Чугун - это дешевый машиностроительный материал, обладающий хорошими литейными качествами. Он является сырьем для выплавки стали. Получают чугун из железной руды с помощь топлива и флюсов.
Чугун - это выплавленное из руды железо с примесью углерода, более хрупкое и менее ковкое, чем сталь. Сосуд округлой формы, металлический горшок.
Чугун - это сплав железа (основа) с углеродом (2 4,5%), содержащий постоянные примеси (марганец до 1,5%, кремний до 4,5%, сера до 0,08%, фосфор до 1,8%), а иногда и легирующие элементы (хром, и др.). Как правило, хрупок.
Чугун - это железо, содержащее некоторую примесь углерода, получаемое выплавкой из железной руды в доменной печи, более хрупкое и менее ковкое, чем сталь. Горшок, сосуд из такого .
Чугун - это сплав железа с углеродом и некоторыми другими элементами, более хрупкий и менее ковкий, чем сталь. Сосуд округлой формы из такого сплава.
Чугун - это твердый хрупкий сплав железа с углеродом при содержании последнего от 2 до 5%; сопротивление на разрыв 8 12 кг/мм2; выплавляется в доменных печах непосредственно из железной руды в виде полуфабриката), идущего на литье или переделку.
Чугун - это сплав железа, в котором процентное количество углерода составляет от 2,14 до 6,67. Популярность этого материала обусловлена тем, что он недорогой, и обладает отличными литейными качествами. Основное применение чугуна - это сырье для производства стали . Кроме того, добавление в чугун легирующих элементов может довольно значительно изменить его свойства, снижая свойственную этому материалу хрупкость и даже приближая углеродистым сталям. Сырьем для выплавки чугуна является железо, т.е. железная руда. Если совсем просто излагать, то процесс выглядит примерно так: восстановленное железо из оксидов, в которых оно присутствует в руде, расплавляет с подачи воздуха, в результате чего происходит химическая реакция с углеродом - образование чугуна.
Чугун – это один из немногих сплавов, которые позволяют длительное время сохранять температуру содержимого. Чугунные чайники удобно использовать как заварочные. Вы сможете приготовить чай для долгой беседы, не боясь, что в ходе нее приготовленный чай остынет и будет невкусным. Материал таких чайников абсолютно безвреден для человека и уже давно используется в качестве материала для изготовления кухонной утвари. Не рекомендуется использовать подобный чайник для разогрева воды для чая, так как изнутри при изготовлении он покрывается эмалью, которая может деформироваться от большой температуры.
История открытия и потребления чугуна
Железо имело промышленное применение уже до нашей эры. В древние времена его получали в пластичном состоянии в горнах. Шлак отделяли, выдавливая его из губчатого железа, ударами молота. По мере техники производства железа постепенно повышалась температура, при которой велся процесс. Металл и шлак стали плавиться; стало возможным разделять их гораздо полнее.
Но одновременно в металле повышалось содержание углерода и других примесей, - металл становился хрупким и нековким. Так появился чугун. Позднее научились перерабатывать чугун; зародился двухступенчатый способ производства железа из руды. В принципе он сохраняется до настоящего времени: современная схема получения стали состоит из доменного процесса, в ходе которого из руды получается чугун, и сталеплавильного передела, приводящего к уменьшению в металле количества углерода и других примесей.
История чугуна, как происходит работа над изделиями чугуна, плавка в доменных печах, и появление самого чугуна
Современный высокий уровень металлургического производства основан на теоретических исследованиях и открытиях, сделанных в различных , и на богатом практическом опыте. Немалая доля в этом процессе принадлежит русским ученым. Например, российские ученые первыми широко применили для доменной плавки.
Чугун в товарных количествах получали ещё до нашей эпохи при выплавке железа шумеры, китаянки, римляне… Чугун рассматривался как побочный менее дорогой продукт. Но ему скоро нашли применение. Так появились чугунные сковородки и котлы. А в обычные века чугун уже стал главным материалом при изготовлении посуды для приготовления пищи. Медный казан, конечно, прогревается быстрее чугунного, но медь и стоит во немало раз дороже. Кроме того, медь легко окисляется, и её окислы весьма вредоносны для здоровья. Поэтому духовную часть такой посуды покрывали тончайшим слоем , который в процессе пользования достаточно быстро истирался и ощущал нужду в постоянном поновлении. К на приобретение посуды прибавлялись расходы на эксплуатацию. Чугун же никаких эксплуатационных затрат не спрашивал.
Сейчас остаётся всё меньше дровяных печек, целый чугунок становится экзотикой, а ухват многие замечали только в кино. Но по - прежнему выпускаются чугунные сковородки, сотейники, котлы, утятницы - гусятницы, разные фигуры для выпечки. Родились в прежде неизвестные нашим согражданам сковородки гриль – квадратной фигуры, с холмистым дном. Так что при целых технических новинках и зигзагах кулинарной моды чугун не намеревается отдавать собственных позиций.
Вот этой резки чугуна просто мурашки по коже, но зато получается весьма не плохо
Ковкий чугун получают длительным отжигом белого чугуна, в итоге которого образуется графит хлопьевидной формы. Металлическая основа такого чугуна: феррит и реже перлит. Ковкий чугунполучил свое название из - за повышенной пластичности и вязкости (при всем при том, что обработке давлением не подвергается). Ковкий чугун обладает повышенной крепостью при растяжении и рослым сопротивлением удару. Из ковкого чугуна изготовляют детали непростой фигуры: картеры заднего моста машин, тормозные колодки, тройники, угольники и т. д.
Конструкция Полицейского моста угодила очень счастливой и была разрешена в качестве « образцовой ». Через отдельное время были заготовлены чугунные блоки для всей серии мостов через Мойку. Александровский завод принимал участие и в проектах по возведению других мостиков в столице. Так в 1814 году были отлиты боковые дощечки, перила и другие подробности к Кровавому мостику, в 1816 - м - к Поцелуеву мостику у Московской заставы.
Стальные ванны служат около 15 лет. Пороками этих ванн являются громкость при наборе воды, принятия душа, ванночки, также нехорошо держат температуру воды, то есть водичка в этих ванных быстро становится прохладной. Акриловые ванны имеют недостаток – быстро появляются царапины, при всем при том, что полировать их можно, но уже через 6 - 7 лет акриловая ванна теряет свой первоначальный вид и становится неприятной на ощупь.
История использования чугуна в древнем Китае
Железо, которое состоит более, чем из 3% углерода, называют чугуном. По сравнением с железом, он имеет значительно более низкую температуру плавления, хорошо подходит для . В Древнем было налажено массовое производство такого металла. Стоил он сравнительно дешево, поэтому чугунные орудия труда были доступны почти всем. Почти все древние сельскохозяйственные орудия того были изготовлены из так называемого белого чугуна. Для него характерны высокая устойчивость к истиранию, твердость и хрупкость. Это приводило к тому, что при ударе о камень мотыга могла просто треснуть. Археологи нашли много монет времен династий Хань, Сун и Цин. Они пришли к выводу, что при нехватке меди – традиционного металла для изготовления , приходилось использовать именно белый чугун. Если этот сплав отливали в специальных формах из керамики и оставляли для медленного остывания на несколько дней, то получали металл, называемый серым чугуном.
Умели в то время производить и ковкий чугун с содержанием углерода не более 1%. Ученые предполагают, что «черный» ковкий чугун получали, выполняя отжиг при температуре более 900 градусов на протяжении нескольких дней. Из него делали наконечники для стрел, мечи, ножницы, наконечники для деревянных лопат и другие предметы. Механические свойства этого металла значительно превосходили белый чугун.
До наших дней дошло много образцов чугунных изделий Древнего Китая. Пожалуй, наиболее необычной можно назвать гробницу, вырезанную в скале примерно в 100 году до н.э. Для того, чтобы надежно закрыть вход, ее стены были залиты сплошным слоем чугуна. Также их этого металла изготавливали статуи различных размеров, колокола, тон звона которых зависел от количества пузырьков в чугуне, якоря и цепи, пушки, кухонную утварь.
Чугун был сначала изобретен в Китае в 4-ом столетии до н.э и лился в формы, чтобы сделать ploughshares и горшки так же как оружие и пагоды. На западе, где это не становилось доступным до конца 14-ого столетия, его самое раннее использование включало орудие и стреляло. Генри начал кастинг орудия в Англии. Скоро, английские железные рабочие, использующие доменные печи, развивали технику производства орудий чугуна, которые, в то время как более тяжелый чем преобладающие бронзовые орудия, были намного более дешевой и позволенной Англией, чтобы вооружить ее флот лучше. Фабриканты железных изделий Пустоши продолжали производить утюги броска до 1760-ых, и вооружение было одним из главного использования утюгов после Восстановления.
С ее относительно низкой точкой плавления, хорошей текучестью, бросая способность, превосходная способность к механической обработке, сопротивление деформации и износостойкости, бросала утюги, стали техническим материалом с широким диапазоном заявлений и используются в трубах, машинах и частях
История чугуна Российского
Наиболее востребованным металлом, применяемым в интерьере и строительстве, является сталь. С помощью стальных балок возводят, в частности, дома для жилья, разнообразные здания, предназначенные для производства или администрирования.
К сожалению, был предан забвению чугун, который сейчас применяют для изготовления, труб, решеток сливных и запасных частей к транспортным средствам.
Пять веков развивалось российское производство чугуна. Одним из главных уральских промыслов с семнадцатого века являлось чугунное литье. Литейный завод, цех которого занимался литьем чугуна, стал символом Урала. Чугун применялся в создании садово-парковых ансамблей, в архитектуре. Из чугуна мастера создавали прекрасные изделия: ограды, скамейки, столбы фонарные, каминные решетки и решетки на окна, печные дверцы, беседки, лестничные перила и многое другое. Большой популярностью пользовались чугунные решетки с литыми воротами с ажурными элементами, а балконы и барельефы из чугуна придавали изысканность дворцам и доходным домам.
Спустя несколько веков чугун прекратил свое триумфальное шествие в качестве основы декора и в двадцатом веке стал считаться «черновым» металлом, который находил себе применение лишь для изготовления разнообразных конструкций. При этом он широко использовался в строительстве, например, для изготовления арматурной сетки в железобетонных изделиях, трубопроводных деталей.
В данное время чугун опять пользуется . Вновь изготавливаются из чугуна перила для балконов и ажурные решетки, статуи, скамьи, беседки и витые фонарные столбы, ООО литейно механический завод вновь выполняет заказы строительных . Активное применение чугуна отмечается в интерьерах. Сейчас вновь популярны решетки для каминов, кронштейны для декоративных фонарей и кашпо. Воспринимая чугун как что-то тяжеловесное и грубое, мы порой поражены его воздушностью и легкостью, видя ажурное плетенье чугунной ограды.
Начало чугунолитейного производства
Люди никогда особенно не интересовались историей чугуна, хотя его значение трудно переоценить. Лишь сравнительно узкому кругу известно, какую роль сыграл этот неприметный с виду материал в развитии производительных сил в различные эпохи, но все знают, что чугун и производимая из него в кислородных конвертерах сталь являются основой современной техники и технологии. В ряду конструкционных материалов они, безусловно, стоят на первом месте и не уступят его еще долгое время, несмотря на все более широкое применение , полимерных и керамических материалов.
Уже сегодня число сплавов на основе железа превысило 10 тысяч.
Анализируя европейские языки в области чугунолитейного производства, порой приходишь к интересным наблюдениям. Например, заготовка для дальнейшего переплава в русском и украинском языках называется «чушка», то есть «свинья». Аналогично, в английском языке она называется «Pig Iron», то есть дословно «свиное железо». Это было связано с тем, что литье чушек, в отличие от фасонного литья, доверяли ученикам и подмастерьям, считая этот вид литья самым примитивным и непрестижным. В большинстве европейских языков термин, обозначающий чугун, является производным от коренного термина, присвоенного основному материалу железоуглеродистых сплавов - железу, и означает «литое железо».
Так, на английском языке термину «Iron» - «железо» соответствует термин «Cast Iron» - «литое железо»; на немецком языке термину «Eisen» - «железо» соответствует обозначение «Gusseisen» - «литое железо»; в шведском языке «jarn» - «железо», «gjutjarn» - «литое железо». То же самое в турецком, финском, новогреческом и других языках. Однако во французском языке название чугуна «fonte» связывается с понятием «fondre» - плавить, лить; в русском языке литое железо обозначается термином «чугун», в украинском – явно производное от русского «чавун», которые звучат как иностранные (и в самом деле это так), не имеющее на первый взгляд никакого отношения к термину «железо».
Как это могло случиться, что наиболее характерное отличие чугуна от других сплавов - его получение исключительно в литом состоянии не нашло себе отечественного обозначения, взамен которого стали применять иностранное слово. Откуда пришло к нам слово «чугун» и что оно обозначает?
Чугун как литейный материал был изобретен и освоен в Китае за много веков до новой эры, о чем могут свидетельствовать четырехзарядная чугунная пушка, отлитая в пятом веке до н. э. и существующие до сих пор чугунные отливки, самой крупной из которых считается «лев» высотой около 6 м и длиною 5,4 м. По литературным данным, появление чугуна в Китае относится, по меньшей мере к VI в. до н. э. В противовес этим данным Б. Б. Гуляев считает, что литье чугуна было освоено только 600 лет назад.
Необъятная монгольская империя, возникшая в результате грабительских походов Чингисхана и его первых преемников, в значительной степени облегчила ознакомление с культурными достижениями китайцев, жителей Средней и Восточной .
Сопоставление дат нашествия татар и их утверждение в Восточной Европе и юго-восточных частях Европы (первая половина XIII в.), а также дат путешествий первых европейских послов-разведчиков к татарам - Плано де Карпини (1246), Асцелина (1247), Марко Поло и других, со временем «изобретения» европейцами пороха (конец XIII в.) и чугуна (2-я половина XIV в.), со всей очевидностью показывает взаимную связь этих на первый взгляд разрозненных и как будто совершенно не зависящих друг от друга исторических фактов.
Древняя Русь имела непосредственные связи с Золотой Ордой, в столице которой проживало много русских, имевших там отдельные торговые и ремесленные ряды и даже отдельную епархию, и была в более благоприятных, нежели западные страны, условиях для освоения китайских и хорезмийских достижений в области техники. Поэтому логично, что русское слово - чугун происходит от таджикского слова «чуян» (по татарски «чуен»). Этот термин и для таджиков, и для татар является принесенным извне, а именно от китайцев, у которых термин «чу» («чжу») соответствует глаголу «лить», а термин «гун» равнозначен названию «литейное дело» (производство). Два китайских иероглифа: левый «чжу» - означает «лить», правый «гун» - «делать, производство».
В. Яковлев указывает, что в некоторых языках термин, обозначающий чугун, также образован от термина, присвоенного железу, но в сочетании с разными прилагательными. Так, в китайском языке синоним слова «чугун» - (шэнте) может быть дословно переведено как «живое железо» или как «сырое», «незнакомое», «непривычное» железо. Подобное же можно наблюдать в японском, датском, хинди и других языках.
Но в другой группе языков термин, обозначающий чугун, не был образован так, как в предыдущих случаях. К этим языкам относятся русский, таджикский, туркменский, киргизский, афганский и, вероятно, еще ряд других. По звуковому сходству среди них наиболее близко находится к русскому слову «чугун» афганский термин, обозначающий чугун. По-афгански (чугун) - и обозначает чугун. «Чугун» по-туркменски и по-киргизски - «чоюн», а по-таджикски - «чуян». Складывается впечатление о среднеазиатском, а не китайском происхождении русского термина «чугун». Но это еще не означает, что народы нашей страны познакомились с чугуном через посредничество народов Средней Азии .
Подтверждением того, что русские заимствовали название литого железа от татар и китайцев через посредство среднеазиатских купцов, может служить факт, что в переписных книгах дьяков Юрия Телепнева и Афанасия Фонвизина по Тульским и Каширским заводам 1645-1676 г. мы имеем путаницу неустановившихся технических терминов «литое» и «чугунное» железо.
Герберштейн свидетельствует о том, что на Руси уже при Василии III отливались чугунные ядра, а при Иване Грозном отливались и чугунные колокола и пушки, значит, к этому времени чугунолитейное дело на Руси уже имело долголетнюю практику и пережило период освоения и налаживания.
Китайское происхождение слова «чугун» доказывает и профессор Л. М. Мариенбах. Он считает, что русское название чугуна произошло от китайского слова «чжугун» (должно быть, «чжуцзауогун»), что по-русски означает «литейщик», или от китайского слова «чжугэнди» (должно быть, «чжучанди»), что по-русски означает «литой».
В обоих предположениях были подобраны китайские слова, близкие по звуковому сходству и обозначавшие термины из области производства чугуна. Если же подбирать слова лишь по звуковому сходству, то в китайском языке слово, обозначающее палку или посох, звучит не иначе как «чжугунь». Прямую связь по звучанию между китайским и русским терминами, обозначающими чугун, обнаружить нельзя. Помимо непосредственного знакомства с чугунным литьем в Великих Булгарах и Сарае Берке, московское правительство пользовалось услугами западно-европейских специалистов, и вопреки мнению В. Кнаббе, отливки из чугуна на Руси появились не в XVII в., а значительно раньше. Так, в работе описывается, что из трудов знаменитого ученого древности Аристотеля можно предположить, что ему за 2300 лет до наших дней был известен чугун. Четырьмя столетиями позже римский ученый Плиний Старший сообщал о том, что иногда «железо при плавлении делается жидким, как вода, и после этого ломается подобно губке». Это уже явные признаки чугуна. (Хотя во многих источниках эти признаки трактовались по-разному.)
Выдающийся русский литейщик Н. Н. Рубцов прямо пишет: «Как бы то ни было, мы имеем несколько чугунных отливок, относящихся к эпохам за 5-6 вв. до н. э. В музеях имеется очень много образцов чугуна, относящихся к периоду более, чем за тысячу лет до средних веков, которые считают временем открытия чугуна».
Литье из чугуна было широко распространено до н. э. в Китае, неопровержимым доказательством чего являются существующие до сего времени чугунные отливки. Самая большая из них - чугунный лев около 6 м высоты и более 5 м длины, который стоит вблизи железной дороги Тянь-дзинь-Пукоу у Цзянь-жоу и, вероятно, является самой большой из чугунных статуй, отливка датирована 974 г. н. э . Об этом же памятнике А. М. Петриченко и Е. А. Суходольская пишут, что они сами подробно исследовали эту уникальную отливку и убедились, что форма Царь-льва залита за один раз (или с небольшими перерывами, в течение которых чугун в форме не успевал затвердевать).
По литературным данным появление чугуна в Китае относится, по меньшей мере, к VI в. до н. э. Интересно отметить, что у скифов, населявших территорию нашей страны с 8 в до н. э до конца 2 века н. э. чугунного литья не было. Скифы не пошли в и литье дальше .
По версии американского журнала Modern Casting, 600 лет до н. э. в Китае отлита первая чугунная отливка - треножник (массой 600 ), а в 233 г до н. э. там же были отлиты первые чугунные лемехи.
Известно, что жители Ферганы во II в. до н. э. научились от беглецов из китайских войск лить чугун . В 115 г. до н. э. китайское правительство монополизировало всю железную промышленность, имеются многочисленные указания на то, что одним из главных применения железа была выделка чанов для выпаривания соли из морской воды и, насколько можно проникнуть в глубь веков, чаны эти всегда были чугунными.
Из всех известных в древнем мире стран, только в Китае железо восстанавливалось из руды каменным углем, а во всех других - древесным углем.
Применяемая руда содержала от 0,5 до 1% Р, так что чугун, полученный из этой руды, не должен содержать свыше 1% Р. Отливки же содержали от 5 до 7% Р, причем дополнительное количество было получено из угля. Таким образом, китайцы научились получать сплав, близкий к фосфидной эвтектике, т. е. металл с точкой плавления примерно на 100° ниже бронзы. Этим объясняется и сравнительно широкое распространение чугунных отливок в Китае в давно прошедшие времена и тот, на первый взгляд удивительный, факт, что ни , ни , ни Фергана, ни Россия, покоренная Батыем, имевшие возможность познакомиться с китайским опытом, не могли развить это производство у себя, так как не имели подходящего . Поэтому развитие чугунолитейного производства как бы вновь началось в средние века, когда 1) изобретение более мощных воздуходувных устройств дало возможность перейти к более высоким печам для получения железа, в которых чугун получался вследствие науглероживания восстановившегося железа, на первых порах неожиданно для тогдашних металлургов; 2) когда спрос на чугунные ядра и затем на чугунные пушки создал устойчивый спрос и, следовательно, прочную экономическую основу для молодого производства.
Интересные данные приводит большой знаток художественного и монетного литья А. М. Петриченко, который пишет, что исключением из правил следует признать литье и участие в денежном обращении Китая чугунных монет, которые широко использовались в период Пятицарствия (907-960 гг. н. э.) и особенно в эпоху Сун (960-1279 гг. н. э.). В некоторых регионах с целью экономии меди , хождение имели только чугунные монеты, но и на них существовал запрет вывоза за границу.
В зарубежной, да и в отечественной литературе превалирует мнение о том, что причиной возникновения чугунного литья в Китае послужило наличие высофосфористых руд и применение древними китайскими литейщиками специальных фосфористых добавок.
Даже небольшого экскурса в историю металлургии в Китае достаточно, чтобы убедиться в том, что это является не единственной и не главной причиной раннего появления чугуна в Китае. Главной причиной того, что китайцы первые в мире и более чем на 1500 лет раньше европейцев научились добывать руды, выплавлять чугун и изготовлять чугунные отливки, являются замечательные успехи китайцев в области плавки бронзы и устройства печей к моменту появления железа.
Одни исследователи относят первые отливки к периоду «Воюющие царства», другие небезосновательно полагают, что китайцы умели изготовлять чугунные отливки еще в эпоху «Весна и осень» (722-481 гг. до н.э.). Фактически Китай начал свой железный век, как свидетельствует Ли Хэн-дэ, не добычей сыродутного железа и ковкой из него изделий, а плавкой чугуна и изготовлением чугунных отливок. В этом одна из особенностей самобытного развития литейного производства Китая. Если до сих пор нет сколько-нибудь убедительных доказательств о применении в эпоху «Весна и осень» железных кованых изделий, то о производстве чугунных отливок в этот период очень много существует вполне достоверных данных.
В Китае уже в 513 г. (до н. э.) был изготовлен большой чугунный ритуальный сосуд, на котором был отлит один из сводов тогдашних (своего рода уголовный ). Но первые чугунные отливки представляли собой преимущественно орудия и инструменты сельскохозяйственного назначения. Древние летописные памятники Китая дают неопровержимые доказательства о применении железных (чугунных) сельскохозяйственных инструментов еще в 7 в. до н. э., что привело к резкому повышению урожайности полей.
А. М. Петриченко прямо указывает, что китайцы более чем на 1500 лет раньше, чем европейцы, научились плавить чугун и изготовлять сложные чугунные отливки. К периоду «Воюющих царств» (403-221 гг. до н. э.), т. е. ко времени появления в Китае чугунного кокильного литья, китайские литейщики в совершенстве владели техникой плавки чугуна. К этому же времени они достигли высокого уровня в изготовлении литейных форм. Причем для получения литых денег и других отливок тогдашние литейщики применяли в основном полупостоянные шамотные формы. Половинки таких форм изготовлялись по металлическим (бронзовым) моделям или пресс-формам.
Безусловно, литье чугунных денег было весьма прогрессивным процессом по нескольким причинам.
В-четвертых, выплавить чугун в домашних условиях из руды человеку, не владеющему искусством металлургии, не имеющему подготовленную руду, флюсы и восстановители, рецептура которых практически всегда хранилась в секрете и передавалась от отца к сыну маловероятно.
Китай - страна самой древней литературы по литейному производству. По-видимому, первой книгой по технологии литья была широко известная в Китае книга «Као Гун-ди», написанная более 2000 лет назад. В этой книге изложены не только способы получения отливок, но и дано подробное описание сплавов для различных изделий (мечей, колоколов, домашней утвари и т. д.), их состав и способы плавки. Подобные сведения о разнообразных способах литья имеются и в более поздних источниках.
Более четырехсот лет назад была впервые издана книга Сун Ин-сина «Оригинальные изобретения», в которой даны краткие описания многих наиболее характерных процессов литья, сохранившихся с глубокой древности. Книга эта хорошо иллюстрирована; она переиздавалась много раз.
Интересно отметить, что нашей стране на территории Одесской области у с. Николаевка Беляевского района, в 1964 г. А. И. Мелюковой было найдено три обломка чугунных котлов, являющимися наиболее древними изделиями из чугуна не только , но и на всей европейской части бывшего СССР. Обломки были найдены на поселении греко-варварского типа в непотревоженных слоях в разных местах и на значительной глубине - 0,7-1 м. В этом слое содержалось большое количество изделий античной эпохи, достоверно датируемых IV-III вв. до н. э. Обломки, как и любой деформированный чугун, имели неправильную форму размером 94x140- 110х160 и 95х130 мм, при толщине стенок 3-7 мм. Травление выявило во всех шлифах литую структуру заэвтектического белого чугуна со структурой ледебурита, первичного цементита и небольшого количества графита. Причиной отбела чугуна авторы объясняют малым содержанием кремния, а практически полное отсутствие марганца указывает на то, что чугун выплавлялся без применения флюсов.
Проведенные химический и спектральный анализы доказали, что обломки принадлежали одному котлу и изготовлены из руды, по-видимому, типа бурых железняков, которые часто использовались древними металлургами для получения железа.
Необходимо отметить, что как самостоятельная промышленности, литейное производство выделилось из металлургического производства лишь в конце ХІХ – начале ХХ веков с появлением небольших печей (вагранок), способных плавить металл, обеспечивая достаточный его перегрев и обеспечивая расплавленному чугуну достаточную жидкотекучесть и другие литейные свойства. Именно тогда при литье чугуна перестали использовать только металл первой плавки, а сам чугун стал широко распространенным конструкционным материалом. Но основу для этого заложили именно древние мастера Китая, Узбекистана, Волжской Булгарии.
Литье из чугуна было широко распространено до н. э. в Китае, неопровержимым доказательством чего являются существующие до сего времени чугунные отливки и чугунные кокили. Скифские племена, населявшие территорию нашей страны с 8 в до н. э. до конца 2 века н. э., чугунного литья не знали. Древние летописные памятники Китая дают неопровержимые доказательства о применении железных (чугунных) сельскохозяйственных инструментов еще в 7 в. до н. э. Фактически Китай начал свой железный век не добычей сыродутного железа и ковкой из него изделий, а плавкой чугуна и изготовлением чугунных отливок. В этом одна из особенностей самобытного развития литейного производства Китая. Главной причиной того, что китайцы первые в мире и более чем на 1500 лет раньше европейцев научились добывать руды, выплавлять чугун и изготовлять чугунные отливки, являются замечательные успехи китайцев в области плавки бронзы и устройства печей к моменту появления железа.
Производство чугуна
Чугуном называют сплав железа с углеродом, содержащий более 2% С. Освобожденная от пустой породы руда представляет собой химическое соединение металла с другими элементами. Для того чтобы получить металл из руды, нужно осуществить определенные химические реакции. При этом на элементы, соединенные с металлом, воздействуют вещества, имеющие с ним меньшее сродство, чем с другими элементами. Так как в железных рудах железо обычно находится в соединении с кислородом, для получения этого металла необходимо осуществлять восстановительные процессы. В чистом виде железо в технике применяется в весьма малых количествах. В основном только в машиностроительном производстве требуются сплавы железа с углеродом. Одним из таких сплавов и является чугун.
Выплавку чугуна из железной руды производят в доменных печах. Эти печи имеют вид башен (шахтные печи). Внутренние части доменной печи выкладывают огнеупорным шамотным кирпичом.Шихта, т.е. руда, топливо и флюс, подается из бункера подъемником 1 в засыпной аппарат колошника 2, откуда и поступает во внутреннюю полость печи. Печь имеет шахту 4, распар 5, заплечики 8, горн 9, дно которого называется лещадью. расплавленного чугуна производится через отверстие - чугунную летку, выше которой расположена шлаковая летка, через которую выпускают жидкий шлак. Воздух, необходимый для получения чугуна, вдувается под давлением в подогретом состоянии (до 1200°С) в фурмы 7 (12-18 шт.), проходя по кольцевой трубе 6, расположенной выше давление воздуха у фурм до 350 кн/м2 (3,5 кГ/см2). Доменный («колошниковый») газ отводится через трубы 3 в очистительные устройства, так как он в дальнейшем используется как топливо для нужд доменного производства и других целей.
Чугун получил широкое распространение как конструкционный материал в машиностроительной, металлургической и других отраслях промышленности в связи с рядом преимуществ перед многими материалами, среди которых основные - невысокая стоимость и хорошие литейные свойства. Изделия, изготовленные из него, имеют достаточно высокую прочность и износостойкость при работе на трение и характеризуются меньшей, чем сталь, чувствительностью к концентраторам напряжений.
В белых чугунах весь углерод связан в химическое соединение карбид железа Fe3C - цементит. В серых чугунах значительная часть углерода находится в структурно-свободном состоянии в виде графита. Если серые чугуны хорошо поддаются механической обработке, то белые обладают очень высокой твердостью и режущим инструментом обрабатываться не могут. Поэтому белые чугуны для изготовления изделий применяют крайне редко, их используют главным образом в виде полупродукта для получения ковких чугунов. Получение белого или серого чугуна зависит от состава и скорости охлаждения.
При производстве чугуна топливом служат:
Термоантрацит;
Природный газ
Выплавляют чугун в доменных печах, представляющих собой вертикальную металлическую шахту, футерованную внутри огнеупорным кирпичом с высоким содержанием глинозема. Жидкий чугун выпускают в ковши, откуда его выливают в формы или миксеры (сборники-смесители, где сплав сохраняется некоторое время в жидком состоянии). Полученные в печах чугуны разделяют на литейные и передельные. Литейные чугуны применяют для производства чугунных отливок, передельные - для производства стали. Для отливки изделий чугун плавят в вагранках, пламенных и электрических печах. Расплавленный при температуре 1380-1420° С жидкий чугун выпускают через летку в футерованные огнеупором литейные ковши для разливки чугуна по формам, изготовляемым из формовочного со связками.
В последние годы применяют прогрессивные способы литья чугуна: под давлением, центробежным способом в оболочковые формы. Залитый в форму чугун находится в ней до момента полного перехода в твердое состояние, вначале расширяясь, а впоследствии давая усадку около 1 %. Отливку под давлением производят на специальных установках, состоящих из котла с расплавленным металлом, разъемных форм, механизма давления и раскрытия форм. Центробежный способ литья основан на принципе действия центробежных сил на металл, залитый во вращающуюся форму. Таким способом можно отливать различные изделия - трубы, кольца, втулки, сплошные и биметаллические.
Отечественными учеными и практиками разработан способ бесслитковой прокатки тонкого чугунного листа. Чугун, расплавленный в вагранках, прокатывают, в ленту между валками с последующим отжигом в течение 2-3 ч. при температуре 980-1050° С. При этих условиях чугунный лист приобретает некоторую пластичность, позволяющую пробивать в нем отверстия, разрезать ножницами, загибать и др.
Производство черных металлов из железной руды - сложный , который может быть условно разделен на две стадии. На первой стадии получают чугун, а на второй - его перерабатывают в сталь. Учитывая, что учащиеся уже знакомы с основами металлургических процессов из средней школы, ниже рассмотрим лишь основные положения технологии чугуна и стали. Чугуном называют сплав железа с углеродом 2... 6,67 %, кроме них в состав сплава могут входить кремний, марганец, сера, фосфор и др. Исходными материалами для производства чугуна являются железные руды, топливо и флюсы.
Бурая железная рудаШпатовый РеСОз железняки, содержащие 30...70 % железа и пустую породу из различных природных химических соединений SiO2, А12Оз и др., и вредные примеси (серы, фосфора).
Топливом служит кокс - продукт сухой перегонки (без доступа воздуха) коксующихся каменных углей. Флюсы (плавни) - известняки, доломиты, кварц, песчаники применяют для понижения температуры плавления пустой породы и перевода ее и золы топлива в шлак. Основным способом производства чугуна из руд в настоящее время является доменный процесс, заключающийся в восстановлении железа из руд (оксидов) при высокой температуре и отделении его от пустой породы руды.
Чугун выплавляют в доменных печах объемом до 5000 м3, куда руду, кокс и флюсы загружают чередующимися слоями, опускающимися вниз печи под влиянием собственной массы. В нижнюю часть печи - горн через отверстия - фурмы подают под давлением нагретый воздух, необходимый для поддержания горения топлива. Кокс, сгорая в верхней части горна, образует СО2, C+O2 = CO2, который поднимается вверх по печи и, встречая на своем пути раскаленный кокс, переходит в оксид углерода: CO2-f-:-f-C=2CO. Оксид углерода восстанавливает оксиды железа до чистого железа по таком порядке Fe2O3, F3O4, FeO, HFe. Этот процесс может быть представлен следующими реакциями: 3F9Q3+СО = 2F3O4 +СО2; 2Fe3O4+2CO=6FeO+2CO; 6FeO+6CO = 6Fe+6CO2. В нижней части печи часть восстановленного железа соединяется с углеродом и образуется карбид железа Fe3C (науглероживание железа). Затем происходит расплавление науглероженного металла, который стекает в горн доменной печи, при этом насыщение железа углеродом продолжается. В результате плавления происходит восстановление не только железа, но и других элементов, находящихся в руде Si, Mn, P, которые, а также часть серы в виде FeS переходят в чугун. В горн стекает также расплавленый шлак и всплывает над чугуном, так как его плотность меньше, чем чугуна.
Расплавленные чугун и шлак периодически выпускают через специальные отверстия - чугунную и шлаковую летки, сначала шлак, а затем - чугун. К прогрессивным процессам развития доменного производства следует отнести улучшение подготовки шихты за счет дробления, тщательной промывки, сортировки и обогащения железных руд, которое производится, например, путем магнитной сепарации. Широко развивается производство агломерата путем спекания мелочи руды в более крупные куски. доменных печей достиг 5 тыс. м3, что обеспечило улучшение коэффициента использования полезного объема, снижение расхода топлива на 1 т. передельного чугуна.
По данным IISI, мировое производство чугуна за 2002 г. по 42 ведущим странам мира составило около 600 млн. тонн. Относительно 2001 года производство чугуна выросло на 5,5%.
| Чугун высоколегированный | ||||
Чугуном называют железоуглеродистые сплавы (содержащие также то или иное количество примесей и легирующих элементов), затвердевающие с образованием эвтектики. Следовательно, в отличие от стали, чугун не может приобрести однофазное строение (например, аустенитное) при термической обработке. Согласно диаграмме состояния сплавов Fe—С (рис. 1), область чугуна охватывает сплавы, содержащие свыше 2,11% С. Практически же в качестве указанного граничного содержания углерода принято считать 2% С. С повышением содержания легирующих элементов эта граница, как правило, смещается в сторону меньших концентраций углерода. Так, многие высокохромистые, высококремнистые (например, ферросилиды), высокоалюминиевые сплавы железа содержат значительное количество эвтектики и условно считаются чугуном, несмотря на весьма низкое содержание углерода.
Присутствие эвтектики в структуре чугуна обусловливает его использование исключительно в качестве литейного сплава (работы по прокатке чугуна, особенно высокопрочного с шаровидным графитом, дали некоторые положительные результаты, но промышленного применения не нашли; перспективной является прокатка низкоуглеродистого низкокремнистого белого чугуна).
Чугун менее прочен и более хрупок, чем сталь, но дешевле стали и хорошо отливается в формы. Поэтому чугун широко используют для изготовления литых деталей. Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита (Fe 3 C) или графита. Цементит имеет светлый цвет, обладает большой твердостью и трудно поддается механической обработке. Графит, наоборот, темного цвета и достаточно мягок. В зависимости от того, какая форма углерода преобладает в структуре, различают два основных вида чугуна: белый и серый.
По степени эвтектичности чугун подразделяют на доэвтектический, эвтектический и заэвтектический (см. рис. 1). Неправомерно принято отождествлять степень эвтектичности чугуна со степенью «насыщенности». Последняя относится как к чугуну, так и к стали и отражает лишь отношение содержания углерода в сплаве к эвтектическому или, с учетом влияния кремния и фосфора на смещение эвтектической точки влево.
Чугун считается эвтектическим, когда углеродный эквивалент равен 4,2—4,3%.
По содержанию дополнительных компонентов чугун подразделяют на нелегированный, низколегированный, средне- и высоколегированный. Нелегированным считают чугун, содержащий до 3,5—4% Si, до 1,5—2% Мп, до 0,3% Р, до 0,2— 0,25% S и до 0,1% таких элементов, как Cr, Ni, Си. В низколегированном чугуне содержание каждого из перечисленных легирующих элементов обычно не превышает 1,0—1,5%, в среднелегированном оно может достигать 7%, а в высоколегированном превышает 7—10%. Добавки сотых и даже тысячных долей процента таких элементов, как магний, азот, бор, висмут, считаются легирующими (микролегирование, модифицирование).
По степени графитизации чугун подразделяют на белый (практически не графитизированный), отбеленный или половинчатый (частично графити-зированный) и серый (в значительной степени или полностью графитизированный). Ковким называют чугун, полученный из белого путем его графитизации в твердом состоянии при термической обработке.
Белый чугун представляет собой сплав, в котором весь или практически весь избыточный углерод, не находящийся в твердом растворе в железе, присутствует в виде цементита Fe 3 C (или специальных карбидов в легированном чугуне). В нелегированном чугуне цементит представляет собой метастабильную фазу, способную распадаться с образованием железа и графита. На рисунке выше линии метастабильных равновесий (цементитная система) PSK, ES, ECF и CD показаны сплошными, а линии стабильных равновесий (графитная система) P`S`К`, E`S`, E`C`F` и C`D` —- пунктирными (в физической химии металлов принят обратный порядок обозначения).
В неполностью графитизированном сером чугуне эвтектоидное превращение протекает не в стабильной (графитной), а в метастабильной (цементитной системе) и аустенит превращается не в феррито-графитный эвтектоид, а в феррито-цементит-ную смесь — перлит. При этом наличие перлитного цементита и даже небольшого количества вторичного цементита (выпадающего из аустенита при его охлаждении в соответствии с линией метастабильного равновесия ES на рисунке выше) не является признаком отбела серого чугуна.
В производственной практике чаще всего наблюдаются случаи, когда эвтек-тоидное превращение протекает частично в стабильной и частично в метастабильной системах. Получающийся перлито-ферритный чугун обладает свойствами, приближающимися к свойствам перлитного или ферритного серого чугуна в зависимости от процентного содержания феррита и перлита в структуре металлической основы.
При отжиге белого чугуна на ковкий графит выделяется в виде более компактных включений, в результате чего металл приобретает определенные пластические свойства (откуда и название этого вида чугуна). Как и серый чугун, ковкий чугун может быть полностью и неполностью графитизированным и подразделяется соответственно на ферритный, феррито-перлитный и перлитный. Ледебуритного или вторичного цементита в ковком чугуне не должно быть (за исключением отдельных изолированных, так называемых «остаточных» карбидов). Половинчатый ковкий чугун промышленного применения не нашел.
В конце сороковых годов был изобретен метод модифицирования чугуна магнием, церием (а в настоящее время также иттрием и рядом других элементов), при котором графитные включения приобретают шаровидную или близкую к ней форму. Такой сплав фактически является разновидностью серого чугуна, однако ввиду приобретения им ряда специфических свойств (сочетания высокой прочности и пластичности, повышенной ударной вязкости) его классифицируют отдельно под названием «высокопрочный» чугун (ВЧ) или чугун с шаровидным графитом (ЧШГ). В зависимости от использованного модификатора его также называют магниевым, либо цериевым чугуном. В зарубежной литературе его часто называют «пластичным» чугуном (ductile iron). Высокопрочный чугун так же подразделяется на перлитный, перлито-ферритный и ферритный. В промышленности используют также отбеленный чугун с шаровидным графитом.
Часто модифицирование магнием или церием приводит к практически полному отбелу чугуна. После графитизирующего отжига в металле образуются шаровидные включения графита. Такой материал фактически представляет собой разновидность ковкого чугуна. Однако ввиду ряда специфических особенностей (кратковременности отжига, обусловленной высоким содержанием кремния в металле и отсутствием инкубационного периода) его классифицируют в одной группе с высокопрочным чугуном.
Таким образом, значительно графитизированный чугун условно подразделяют на серый (СЧ), ковкий (КЧ) и высокопрочный (ВЧ), хотя в ряде случаев провести между ними границу очень трудно.
Серый, ковкий и высокопрочный чугун классифицируют по механическим свойствам. Согласно общей классификации принято следующее деление:
По специальным свойствам чугун подразделяют на износостойкий, антифрикционный, коррозионностойкий, жаростойкий, немагнитный.
По твердости чугун подразделяют на:
Мягкий чугун < HB149
Средней твердости HB149-197
Повышенной твердости HB 197-269
Твердый > HB269
По прочности чугун подразделяют на:
Обыкновенной прочности < 20 кГ/мм 2
Повышенной прочности = 20-38 кГ/мм 2
Высокой прочности > 38кГ/мм 2
В белом чугуне почти весь углерод содержится в связанном состоянии в форме цементита. Такой чугун имеет в изломе светло-серый цвет, очень тверд, почти не поддается механической обработке и поэтому не применяется для изготовления деталей, а используется для переделки в сталь и для изготовления деталей из ковкого чугуна. Такой чугун называется также передельным.
Серый чугун в изломе темно-серого цвета, мягок, хорошо обрабатывается инструментами и поэтому широко применяется в машиностроении. Температура плавления серого чугуна 1100— 1250° С. Чем больше в чугуне углерода, тем ниже температура плавления. Основное количество углерода в сером чугуне содержится в виде графита, равномерно распределенного среди зерен основного сплава.
В сером чугуне, по сравнению с белым, содержится больше кремния и меньше марганца, так как кремний способствует графитизации углерода в чугуне, а марганец, наоборот, вызывает образование связанного углерода — цементита.
Примерный состав серого чугуна: 3—3,6% углерода; 1,6—2,5% кремния; 0,5—1% марганца; 0,05—0,12% серы; 0,1—0,8% фосфора. Сера является вредной примесью в чугуне, затрудняет его сварку и понижает прочность; она повышает вязкость чугуна в расплавленном состоянии и увеличивает его литейную усадку.
Фосфор делает чугун более жидкоплавким и улучшает его свариваемость, но одновременно повышает хрупкость и твердость. Поэтому содержание серы и фосфора в чугуне не должно превышать указанных пределов.
По ГОСТ 1412—54 марка серого чугуна обозначается буквами СЧ и двумя числами, из которых первое обозначает среднюю величину временного сопротивления в кгс/мм 2 , а второе — то же, при изгибе. Выпускается, например, серый чугун марок СЧ12-28, СЧ15-32, СЧ18-36 и т. д. Наиболее прочным является чугун марки СЧ38-60. Твердость по Бринеллю для серого чугуна СЧ12-28 составляет от 143 до 229, чугуна СЧ38-60 —от 207 до 262.
Ковкий чугун по механическим свойствам занимает промежуточное положение между чугуном и сталью, отличается от серого чугуна большей вязкостью и меньшей хрупкостью. Для получения деталей из ковкого чугуна их отливают из белого чугуна, а затем подвергают термообработке, например длительному отжигу или «томлению» в песке при 800—850° С. При этом выделяется свободный углерод в форме мелких округленных частиц, располагающихся в виде обособленных скоплений (хлопьев) между кристаллами железа. При температуре выше 900—950° С углерод переходит в цементит и деталь теряет свойства ковкого чугуна. Поэтому детали после сварки приходится вновь подвергать полному циклу термообработки для получения в шве и околошовной зоне структуры ковкого чугуна.
Ковкий чугун по ГОСТ 1215—59 обозначается буквами КЧ и двумя числами: первое указывает временное сопротивление в кгс/мм 2 , а второе — относительное удлинение в процентах, например КЧ35-4.
Легированный чугун обладает особыми свойствами — кислотоупорностью, высокой прочностью при ударных нагрузках и др. Эти свойства чугун получает в результате легирования хромом, никелем.
Модифицированный чугун получают из серого чугуна, вводя в жидкий чугун специальные добавки, называемые модификаторами — силикокальций, ферросилиций, силикоалюминий и др. Количество вводимых модификаторов не превышает 0,1 — 0,5%, при этом температура жидкого чугуна должна быть не ниже 1400° С.
При модификации состав чугуна почти не изменяется, но зерна графита принимают мелкопластинчатый, слегка завихренный вид, и располагаются изолированно друг от друга. От этого структура чугуна становится однородной, плотной, повышаются его прочность, износо- и коррозиоустойчивость.
По ГОСТ 1412—54 модифицированный чугун обозначается так же, как и серый, но с добавлением буквы М, например: МСЧ2848.
Высокопрочный и сверхпрочный чугуны имеют, графит шаровой формы. Это достигается введением в жидкий чугун при 1400° С чистого магния или его сплавов с медью и ферросилицием, с последующей модификацией силикокальцием или ферросилицием. Сверхпрочный чугун имеет временное сопротивление при растяжении 50—65 кгс/мм 2 (при изгибе 80—120 кгс/мм 2) и относительное удлинение 1,5—3%.
Механические и технологические свойства: чугун является своеобразным композитным материалом, механические и эксплуатационные свойства которого зависят от характеристик металлической основы (прочность, пластичность, твердость и др.), а также формы, размеров, количества и распределения графитовых включений. При этом решающее значение в ряде случаев имеет либо графит, либо металлическая основа. Например, модуль упругости чугуна в решающей степени зависит от формы и величины графитовых включений, а твердость в основном определяется свойствами металлической основы. Такие свойства, как временное сопротивление разрыву, ударная вязкость, длительная прочность, зависят как от свойств металлической основы, так и от формы или размеров и количества графитовых включений.
Получение той или иной структуры чугуна в отливках зависит от многих факторов: химического состава чугуна, вида шихтовых материалов, технологии плавки и внепечной обработки металла, скорости кристаллизации и охлаждения расплава в форме, а следовательно, толщины стенки отливки, теплофизических свойств материала формы и др. Структуру металлической основы чугуна можно изменять также термической обработкой отливок, общие закономерности влияния которой аналогичны возникающим при термической обработке углеродистой стали, а особенности связаны с сопутствующими изменениями металлической основы процессами графитизации.
Среди элементов химического состава С и Si определяют формирование структуры чугуна, а при заданной технологии литья приведенный размер стенки отливки R np характеризует скорость ее охлаждения — отношение площади сечения стенки к периметру).
Наряду с Si большое значение как графитизирующий элемент имеет Аl, который иногда частично или полностью заменяет Si. Это улучшает свойства чугуна, особенно пластичность. Наиболее благоприятное сочетание характеристик прочности, вязкости и пластичности достигается в алюминиевых чугунах при содержании в них Si < 1,0 %.
По влиянию небольших добавок других элементов на структуру чугуна и, следовательно, свойства добавки можно разбить на три группы.
Первая группа элементов (Ni, Со, Си) аналогично Si оказывает графитизирующее влияние, способствует раз мельчению выделений графита. Одновременно эти элементы стимулируют получение более дисперсных перлитных игольчатых и. мартенситных структур даже при сравнительно медленном охлаждении.
Вторая группа элементов (Сг, Мо, W, V и др.) в противоположность первой препятствует графитизации с интенсивностью, пропорциональной концентрации. При содержании, превышающем предел растворимости их в цементите или феррите, они образуют специальные карбиды.
К третьей группе элементов можно отнести Ti, Zr, Се, Са, Mg, В и др. Эти элементы характеризуются высокой химической активностью, почти целиком расходуются на образование тугоплавких карбидов, сульфидов, оксидов, нитридов, которые могут служить зародышами в процессе последующей кристаллизации и повышать дисперсность металлической основы. Более того, элементы этой группы Mg, Са, Се и др. редкоземельные металлы (РЗМ) входят в состав лигатур для модифицирования чугуна с целью получения графита вермикулярной или шаровидной формы.
Магнитные свойства чугунов. В соответствии с требованиями, предъявляемыми к деталям, чугун может применяться в качестве ферромагнитного (магнитно-мягкого) или паромагнитного материала.
Магнитные свойства в большей степени, чем какие-либо другие, зависят от структуры металла, что определяет разделение магнитных свойств на первичные и вторичные. К первичным относятся индукция, насыщение (4лl), проницаемость в сильных полях и температура магнитного превращения. Эти свойства зависят от количества и состава ферромагнитных фаз и не зависят от их формы и распределения. К вторичным свойствам относятся гистерезисные характеристики: индукция, насыщение и проницаемость в слабых и средних полях, коэрцитивная сила, остаточный магнетизм. Вторичные свойства мало зависят от состава фаз и определяются главным образом формой и распределением структурных составляющих.
Основными ферромагнитными составляющими чугуна являются феррит и цементит, характеризующиеся следующими данными.
Цементит является более жесткой магнитной составляющей, поэтому в качестве магнитно-мягкого материала всегда применяется серый, а не белый чугун. Графитизация приводит к резкому понижению Н с и интенсивному повышению U mах, в особенности при распаде последних остатков карбидов. При этом влияние графита, как и других немагнитных фаз, зависит также от формы и величины включений. Наиболее благоприятной в этом отношении является глобулярная форма. Поэтому ковкий и высокопрочный чугун характеризуются большей индукцией и магнитной проницаемостью и меньшей коэрцитивной силой, чем серый чугун при той же матрице.
Таким же образом влияет укрупнение эвтектического и ферритного зерна и уменьшение количества перлита. Поэтому отпуск после закалки способствует улучшению магнитно-мягких свойств.
Немагнитные (парамагнитные) чугуны применяются в тех случаях, когда требуется свести к минимуму потери мощности (крышки масляных выключателей, концевые коробки трансформаторов, нажимные кольца на электромашинах и т. д.) или когда необходимо минимальное искажение магнитного поля (стойки для магнитов и т. п.). В первом случае, наряду с низкой магнитной проницаемостью, требуется высокое электрическое сопротивление; этому требованию чугун удовлетворяет даже в большей степени, чем цветные сплавы. Во втором случае необходима особо низкая магнитная проницаемость. Поэтому в ряде случаев и не удается заменить цветные сплавы аустенитными чугунами для второй группы отливок.
В зависимости от состава различают аустенитные немагнитные чугуны:
Никелевые типа нирезист с тем или иным количеством хрома;
Никельмарганцевые типа номаг с тем или иным содержанием меди и алюминия, превосходящие чугуны первой
Группы по немагнитности, но уступающие им по жаропрочности, жаростойкости и сопротивлению коррозии;
Марганцевые с тем или иным содержанием меди и алюминия, являющиеся наиболее дешевыми, но обладающие более низкими прочностными и физическими свойствами.
Представляют интерес также ферритные высоколегированные алюминиевые чугуны, характеризующиеся особенно низкой магнитной проницаемостью.
Влияние вида чугуна на его плотность: наибольшей плотностью характеризуются белые чугуны, не содержащие свободных графитовых включений, и некоторые легированные чугуны (хромовые, никелевые, хромоникелевые). У серых чугунов плотность обычно тем больше, чем выше прочность чугуна.
Высокопрочный чугун при прочих равных условиях (одинаковом содержании кремния, перлита и графита) характеризуется большей плотностью, чем чугун с пластинчатым графитом. Однако во многих случаях эта плотность может оказаться на практике ниже, чем у серых чугунов, вследствие более высокого содержания углерода и кремния или большей ферритизации матрицы.
Большей плотностью также характеризуются аустенитные чугуны, вследствие более плотного строения, особенно при легировании никелем и медью, плотность которых больше, чем у железа.
При легировании марганцем плотность аустенита несколько понижается. Еще меньше плотность ферритных кремнистых и алюминиевых чугунов.
| Краткие обозначения: | ||||
| σ в | - временное сопротивление разрыву (предел прочности при растяжении), МПа |
ε | - относительная осадка при появлении первой трещины, % | |
| σ 0,05 | - предел упругости, МПа |
J к | - предел прочности при кручении, максимальное касательное напряжение, МПа |
|
| σ 0,2 | - предел текучести условный, МПа |
σ изг | - предел прочности при изгибе, МПа | |
| δ 5 ,δ 4 ,δ 10 | - относительное удлинение после разрыва, % |
σ -1 | - предел выносливости при испытании на изгиб с симметричным циклом нагружения, МПа | |
| σ сж0,05 и σ сж | - предел текучести при сжатии, МПа |
J -1 | - предел выносливости при испытание на кручение с симметричным циклом нагружения, МПа | |
| ν | - относительный сдвиг, % |
n | - количество циклов нагружения | |
| s в | - предел кратковременной прочности, МПа | R и ρ | - удельное электросопротивление, Ом·м | |
| ψ | - относительное сужение, % |
E | - модуль упругости нормальный, ГПа | |
| KCU и KCV | - ударная вязкость, определенная на образце с концентраторами соответственно вида U и V, Дж/см 2 | T | - температура, при которой получены свойства, Град | |
| s T | - предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации), МПа | l и λ | - коэффициент теплопроводности (теплоемкость материала), Вт/(м·°С) | |
| HB | - твердость по Бринеллю |
C | - удельная теплоемкость материала (диапазон 20 o - T), [Дж/(кг·град)] | |
| HV
|
- твердость по Виккерсу | p n и r | - плотность кг/м 3 | |
| HRC э
|
- твердость по Роквеллу, шкала С |
а | - коэффициент температурного (линейного) расширения (диапазон 20 o - T), 1/°С | |
| HRB | - твердость по Роквеллу, шкала В |
σ t Т | - предел длительной прочности, МПа | |
| HSD
|
- твердость по Шору | G | - модуль упругости при сдвиге кручением, ГПа | |
Чугунами принято условно называть железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода свыше 2 % вне зависимости от степени легированности. Исключение составляют некоторые инструментальные стали и высококремнистые чугуны, например силал, содержащий в зависимости от марок от 1.6 до 2.5 % С. Принятое разграничивание области чугунов от области стали совпадает с предельной растворимостью углерода в γ-железе.
Свойства чугуна определяются количеством, формой и характером распределения структурных составляющих. Фазовый состав чугуна зависит от химического состава, условий выплавки и условий кристаллизации чугуна .
Диаграмма состояний железо-углерод
Диаграмма состояний железо-углерод в интервале концентраций от железа до цементита представлена на рис. 1. Линия ABCD является ликвидусом системы, линия AHJECF – солидусом.
Три горизонтальные линии на диаграмме (HJB, ECF и PSK) указывают на протекание трёх нонвариантных реакций. При 14850 (линия HJB) протекает перитектическая реакция LB+ФН→АJ. В результате перитектической реакции образуется аустенит. Реакция эта имеет место только у сплавов, содержащих углерода от 0.1 до 0.5 % . При 11300 (горизонталь ECF) протекает эвтектическая реакция LC→AE+Ц. В результате этой реакции образуется эвтектическая смесь. Эвтектическая смесь аустенита и цементита называется ледебуритом. Реакция эта происходит у всех сплавов системы, содержащих углерода более 2 %. При 7230 (горизонталь PSK) протекает эвтектоидная реакция AS→ФР+Ц. Продуктом превращения является эвтектоидная смесь. Эвтектоидная смесь феррита и цементита называется перлитом.
У всех сплавов, содержащих свыше 0.02 % углерода, т. е. практически у всех промышленных железоуглеродистых сплавов, имеет место перлитное (эвтектоидное) превращение. Таким образом, диаграмма железо – углерод характеризует протекание в этих сплавах эвтектического, эвтектоидного и перитектического превращений.
Внешний вид диаграммы железо – углерод (в своей доцементитной части), т. е. расположение линий на диаграмме, является вполне определённым и устоявшимся. Уточнению подвергаются лишь координаты (т. е. температура и концентрация наиболее характерных точек).
Значения координат точек на диаграмме железо – углерод представлены в таблице 1 .
Рис. 1. Диаграмма железо – углерод
Таблица 1.
Характерные точки на диаграмме железо – углерод
Обозначение | Температура в 0С | Концентрация углерода в % | Обозначение точки | Температура в 0С | Концентрация углерода в % |
Компоненты и фазы железоуглеродистых сплавов
Основными компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо, углерод и цементит. Железо – переходный металл серебристо-светлого цвета. Имеет высокую температуру плавления – 15390±50 С. В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях. Полиморфные превращения происходят при температурах 9110 С и 13920 С. При температуре ниже 9110 С существует α-Fe с объемно-центрированной кубической решеткой. В интервале температур 9110÷13920 С устойчивым является γ-Fe с гранецентрированной кубической решеткой. При температуре ниже 7680 С железо ферромагнитно, а выше – парамагнитно. Точка Кюри железа 7680 С.
Железо технической чистоты обладает невысокой твердостью (80 НВ) и прочностью (предел прочности – σ=250 МПа) и высокими характеристиками пластичности (относительное удлинение – δ=50 % ). Свойства могут изменяться в некоторых пределах в зависимости от величины зерна.
Железо характеризуется высоким модулем упругости, наличие которого проявляется и в сплавах на его основе, обеспечивая высокую жесткость деталей из этих сплавов. Железо со многими элементами образует твердые растворы: с металлами – растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом – растворы внедрения .
Углерод относится к неметаллам. Обладает полиморфным превращением, в зависимости от условий образования существует в форме графита с гексагональной кристаллической решеткой (температура плавления – 35000С, плотность – 2,5 г/см3) или в форме алмаза со сложной кубической решеткой с координационным числом равным четырем (температура плавления – 50000С).
Так как железо, кроме того, что образует с углеродом химическое соединение Fe3C, имеет две аллотропические формы, то в системе существуют следующие фазы: жидкая фаза, цементит, феррит, аустенит .
Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы .
Цементит – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит 6.67 % углерода. Аллотропических превращений не испытывает. Кристаллическая решетка цементита состоит из ряда октаэдров, оси которых наклонены друг к другу. Температура плавления цементита точно не установлена (1250, 15500С). При низких температурах цементит слабо ферромагнитен, магнитные свойства теряет при температуре около 2170С.
Цементит имеет высокую твердость (более 800 НВ, легко царапает стекло), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность. Такие свойства являются следствием сложного строения кристаллической решетки. Цементит способен образовывать твердые растворы замещения. Атомы углерода могут замещаться атомами неметаллов: азотом, кислородом; атомы железа – металлами: марганцем, хромом, вольфрамом и др. Такой твердый раствор на базе решетки цементита называется легированным цементитом.
Цементит – соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита. Этот процесс имеет важное практическое значение при структурообразовании чугунов.
В железоуглеродистых сплавах также присутствуют фазы: цементит первичный (Ц I), цементит вторичный (Ц II), цементит третичный (Ц III). Химические и физические свойства этих фаз одинаковы. Влияние на механические свойства сплавов оказывает различие в размерах, количестве и расположении этих выделений. Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (при охлаждении – вокруг зерен перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен.
Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0.006% при комнатной температуре (точка Q), максимальную – 0.02% при температуре 7270С (точка P). Углерод располагается в дефектах решетки. При температуре выше 13920С существует высокотемпературный феррит с предельной растворимостью углерода 0.1% при температуре 14990С (точка J) .
Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок (твердость – 130 НВ, предел прочности σв=300 МПа) и пластичен (относительное удлинение δ=30 %), магнитен до 7680С .
Аустенит γ-Fe (С) – твердый раствор внедрения углерода в γ-железе. В центре гранецентрированной кубической ячейки находится атом углерода. Аустенит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0.8 % при температуре 7270С (точка S), максимальную – 2.14 % при температуре 11470С (точка Е). Аустенит имеет твердость 200÷250 НВ, пластичен (относительное удлинение – δ=40÷50 %), парамагнитен. При растворении в аустените других элементов могут изменяться свойства и температурные границы существования.
Микроструктура чугунов
Получение той или иной структуры чугуна зависит от многих факторов: химического состава чугуна, технологии плавки и внепечной обработки металла , скорости кристаллизации и охлаждении расплава в форме, а, следовательно, толщины стенки отливки, теплофизических свойств материала формы и др. Структуру металлической основы чугуна можно изменять также термической обработкой. В таблице 2 приведены наиболее часто встречающиеся структуры и структурные составляющие чугуна и некоторые их свойства .
Таблица 2.
Структуры и структурные составляющие чугуна
Структура | Определение | Характеристика | Твёрдость НВ |
Цементит | Карбид железа , массовая доля углерода 6.67% | Магнитен при температуре ниже 217 0С. Кристаллическая решётка сложная ромбическая | |
Ледебурит | Механическая смесь, состоящая в момент образования из аустенита и цементита (эвтектика). При дальнейшем охлаждении аустенит распадается с образованием ферритно-цементитной смеси | Массовая доля углерода 4.3%. Отличается большой твёрдостью и хрупкостью. Образуется при температуре 1147 0С (линия ECF на диаграмме железо-углерод) | |
Одна из разновидностей чистого углерода | Имеет чёрный цвет, выявляется на микрошлифе без травления. Кристаллическая решётка гексагональная | ||
Аустенит | Твёрдый раствор углерода и других элементов в γ-железе | Немагнитен. Кристаллическая решётка кубическая гранецентрированная | |
Твердый раствор углерода и других элементов в α-железе | Магнитен при температуре ниже 768 0С, кристаллическая решётка кубическая объемно-центрированная, массовая доля углерода до 0.02 % | ||
Механическая смесь частиц цементита и феррита, образующаяся при полном распаде аустенита (эвтектоид) | Магнитен. Массовая доля углерода 0.8 %. При пластинчатой форме цементита называется пластинчатым, при зернистой форме цементита - зернистым | ||
Механическая смесь феррита и цементита, отличающаяся от перлита более тонким строением (высокой дисперсности) | Магнитен. Образуется в процессе ускоренного охлаждения при распаде аустенита в интервале температур 600-700 0С (сорбит закалки) или при отпуске мартенсита. Массовая доля углерода лимитирована. | ||
Троостит | Механическая смесь феррита и цементита, отличающаяся от сорбита ещё более высокой степенью дисперсности | Магнитен. Образуется при ускоренном охлаждении при распаде аустенита в интервале температур 400-600 0С (троостит закалки), а также при отпуске мартенсита (троостит отпуска). Массовая доля углерода не лимитирована. | |
Механическая смесь пересыщенного углеродом α-твёрдого раствора и карбидов. Образуется в результате распада аустенита в условиях интенсивного переохлаждения (обычно 450-200 0С) | Магнитен. Различают верхний бейнит, образующийся в верхней зоне промежуточного превращения, и нижний бейнит, образующийся при температурах близких к температуре начала мартенситного превращения | ||
Мартенсит | Пересыщенный твёрдый раствор углерода и других элементов в α-железе, полученный из аустенита в результате бездиффузного превращения (перестройки кристаллической решётки γ-железа без изменения массовой доли углерода) | Магнитен. Кристаллическая решётка кубическая объемно-центрированная. Микроструктура, как правило, игольчатого вида. Образуется в процессе быстрого охлаждения при температуре ниже 200-2500С. Массовая доля углерода не лимитирована |
Классификации чугунов
Классификация чугунов по химическому составу
В чугунах, кроме железа и углерода, содержатся в качестве постоянных примесей определенные количества кремния, марганца, фосфора и серы. Из них фосфор и сера считаются вредными примесями.
По химическому составу чугуны делятся на нелегированные, мало-, средне - и высоколегированные. Нелегированными считаются чугуны, содержащие до 2 % марганца и до 4 % кремния, до 0.1 % хрома и до 0.1 % никеля. При наличии этих элементов в больших количествах или при содержании специальных примесей чугуны считаются легированными .
В малолегированных чугунах количество специальных примесей (никель, медь, хром и т. п.) не превосходит обычно 3 %; в среднелегированных чугунах количество легирующих примесей составляет 7-10 %, а в высоколегированных значительно превышает 10 %.
Путём низкого легирования чугуна стремятся улучшить его общие свойства, получить однородную структуру, повысить предел прочности и упругости с сохранением этих свойств при нагреве, улучшить твёрдость и износостойкость, антифрикционность и т. п. При среднем и высоком легировании значительно меняется состав твёрдых растворов и карбидов, благодаря чему наибольшее значение приобретает изменение характера металлической основы .
Классификация чугунов по структуре и условиям образования графита
По степени графитизации, формам графита и условиям их образования различают следующие типы чугунов: белый, половинчатый, серый, ковкий и высокопрочный с шаровидным графитом (см. схему рис. 2). Характер металлической основы чугуна определяется степенью графитизации и легированности, а также видом термической обработки.
По степени графитизации белый чугун можно считать наименее или вовсе неграфитизированным, половинчатые чугуны можно считать частично графитизированными, а остальные чугуны – значительно графитизированными .
Рис. 2. Схема классификации чугунов
В белых и половинчатых чугунах обязательно наличие ледебурита (механическая смесь твердого раствора углерода в железе и карбида железа), а в значительно графитизированных чугунах ледебурита не должно быть.
Белым чугуном называется чугун, у которого весь углерод находится в химически связанном состоянии. Белый чугун весьма твёрд, хрупок и очень трудно обрабатывается резанием. Микроструктура нелегированного белого доэвтектического чугуна состоит из ледебурита, перлита и вторичного цементита. В легированных или термически обработанных чугунах вместо перлита может получаться мартенсит или даже аустенит. Белый чугун применяется для изготовления износостойких, коррозионностойких и жаростойких деталей. Кроме того, отливки из белого чугуна соответствующего состава служат для получения деталей из ковкого чугуна путём графитизирующего отжига. Белый чугун называется так потому, что вид излома у него светло-кристаллический, лучистый. Для половинчатого чугуна характерно то, что в нём, наряду с ледебуритом, имеется и графит.
Структура половинчатого чугуна – перлитно-ледебуритная с графитом. В легированных или термически обработанных чугунах вместо перлита можно получить аустенит, мартенсит или бейнит.
Половинчатый чугун называется так потому, что вид излома у него представляет собой сочетание из светлых (белых) и тёмных (графитизированных) участков. Половинчатый чугун твёрд и хрупок. У отбеленных чугунных деталей поверхностные слои имеют структуру белого чугуна, а сердцевина – графитизированного чугуна. Между поверхностными слоями и сердцевиной находится зона из половинчатого чугуна.
Серый чугун наиболее распространённый машиностроительный материал. Серый чугун маркируется буквами С – серый и Ч – чугун. После букв следуют цифры, указывающие среднюю величину временного сопротивления при растяжении (кгс/мм2) и относительную деформацию.
Главная отличительная особенность серого чугуна заключается в отсутствии недопустимого количества цементита и ледебурита и том, что графит в плоскости шлифа имеет пластинчатую форму. Когда пластинки графита весьма дисперсные, то его называют точечным. Пластинчатые формы графита могут быть прямолинейными и различной степени завихрённости. Для получения пластинчатой формы графита необязательны термообработка и специальное модифицирование. Устранение графитных включений нежелательных форм и сочетаний достигается модифицированием графитизирующих добавок. Вид излома серого чугуна в значительной степени зависит от количества графита: чем больше графита, тем темнее излом чугуна.
Серому чугуну свойственно почти полное отсутствие относительного удлинения (до 0.5 %) и весьма низкая ударная вязкость. Эта особенность серого чугуна является следствием весьма сильного ослабляющего действия пластинчатого графита на металлическую основу.
Поскольку серый чугун, независимо от характера металлической основы, обладает весьма низкой пластичностью, то стремятся к получению в ней перлитной металлической основы, так как перлит значительно прочнее и твёрже феррита. Снижение же количества перлита и повышение за счёт этого количества феррита в структуре приводит к потере прочности и износостойкости без повышения пластичности.
В легированных и термически обработанных чугунах вместо перлита может быть получен аустенит, мартенсит или бейнит. Включения вторичного и эвтектического цементита большей частью нежелательны. Принципиальное отличие высокопрочного чугуна заключается в шаровидной форме графита, которая получается путём внедрения в жидкий чугун специальных модификаторов.
Шаровидная форма графита является наиболее благоприятной из всех известных форм. Шаровидный графит меньше других форм ослабляет металлическую основу. Металлическая основа этого чугуна обычно бывает в зависимости от требуемых свойств перлитной, перлитно-ферритной и ферритной. Путём легирования и термической обработки можно также получить аустенитную, мартенситную или бейнитную основу.
В структуре высокопрочного чугуна может допускаться некоторое количество пластинчатого графита при условии, что по своим свойствам он удовлетворяет требуемой марке. Допускаются также и неправильные (искажённые) формы шаровидного графита. Высокопрочный чугун маркируют буквами ВЧ, затем следуют цифры, которые показывают среднее значение временного сопротивления при растяжении (кгс/мм2).
Главное отличие ковкого чугуна заключается в том, что графит в нём получается путём отжига белого чугуна и имеет хлопьевидную или шаровидную форму. Шаровидная форма получается при специальном модифицировании или при обезуглероживающем отжиге. Хлопьевидный графит бывает различной компактности и дисперсности, что значительно отражается на механических свойствах чугуна.
Ковкий чугун производится не только с ферритной, но и с ферритно-перлитной и перлитной металлической основой.
Чугун с ферритной основой обладает наибольшей пластичностью, поэтому его чаще всего и применяют. Излом у ферритного ковкого чугуна чёрно-бархатистый, с увеличением количества перлита в структуре излом становится более светлым.
Ковкий чугун маркируют буквами КЧ и цифрами. Первые две цифры указывают временное сопротивление при растяжении (кгс/мм2), вторые – относительное удлинение (%) .
Классификация чугунов по свойствам
Классифицировать чугуны можно по механическим и специальным свойствам. По механическим свойствам чугунные отливки делят по твёрдости, прочности и пластичности.
Таблица 3.
Классификация чугунов по свойствам.
По твёрдости: | мягкие (твёрдость ≤149 НV) |
средней твёрдости (149÷197 НV) |
|
повышенной твёрдости (197÷269 НV) |
|
твёрдые (более 269 НV) |
|
По прочности: Обыкновенной прочности бывают только серые чугуны. Повышенной прочности бывают серые и ковкие чугуны, а высокой прочности – ковкие чугуны и чугуны с шаровидным графитом. | обыкновенной прочности (предел прочности σВ≤200 МПа), |
повышенной прочности (σВ=200÷380 МПа) |
|
высокой прочности (σВ≥400 МПа) |
|
По пластичности: | непластичные (относительное удлинение δ≤1 %) |
малопластичные (δ=1÷5 %) |
|
пластичные (δ=5÷10 %) |
|
повышенной пластичности (δ≥10 %) |
|
По специальным свойствам: | износостойкие |
антифрикционные |
|
кислотостойкие |
|
жаростойкие |
|
немагнитные и т. п. |
ГОСТ 7769-82 «Чугун легированный для отливок со специальными свойствами» предусматривает девять марок белых износостойких чугунов: низколегированный хромистый марки ЧХ3Т, высоколегированные хромистые марки ЧХ9Н5, ЧХ16, ЧХ16М2, ЧХ22, ЧХ29Д2, ЧХ32, высолегированный марганцевый марки ЧГ7Х4 и низколегированный никелевый марки ЧН4Х2. Первая буква обозначает «чугун». Цифры показывают содержание легирующего элемента, указанного в процентах после соответствующей буквы. Если цифра после буквы отсутствует, то содержание соответствующего легирующего элемента равно 1 %. Другие легированные специальные чугуны маркируют таким же образом, кроме антифрикционных, где первая буква обозначает «антифрикционный». Могут встречаться и термины: «номаг» (немагнитный чугун), «нирезист», «силал», «никросилал» (коррозионностойкие), «чугаль» (жаростойкий) и некоторые другие.
Применяемые в настоящее время чугуны в отношении магнитных свойств можно разбить на ферромагнитные и парамагнитные. В свою очередь ферромагнитные чугуны можно условно разделить на магнитно-мягкие и магнитно-жёсткие. Это деление весьма условно, так как ни при каких условиях чугуны не могут быть в подлинном смысле мягким или жёстким магнитным материалом. К магнитно-мягким относятся серые, ковкие и высокопрочные чугуны .
Общая характеристика серых чугунов
Серый чугун получается непосредственно в процессе кристаллизации с замедленным охлаждением, графит при этом имеет пластинчатую форму. В зависимости от степени графитизации может быть получена различная структура металлической основы (матрицы) серого чугуна: серый перлитный чугун со структурой П+Г; серый ферритно-перлитный чугун со структурой Ф+П+Г; серый ферритный чугун со структурой Ф+Г.
Механические свойства серого чугуна как конструкционного материала зависят как от свойств металлической основы (матрицы), так и от количества, геометрических параметров и характера распределения включений графита. Чем меньше этих включений и чем они мельче, тем выше прочность чугуна. Металлическая основа в сером чугуне обеспечивает наибольшую прочность и износостойкость, если она имеет перлитную структуру. Наименьшей прочностью обладает серый чугун с ферритной основой. Относительное удлинение при растяжении серого чугуна независимо от свойств металлической основы практически равно нулю (δ≤0,5%).
Наиболее высокими механическими свойствами обладают модифицированные ферросилицием и силикокальцием серые чугуны. Модифицирование - добавка в расплав нерасплавляющихся измельченных частиц - обеспечивает измельчение графитовых включений.
Применяются ферритные и ферритно-перлитные серые чугуны для малонагруженных деталей сельскохозяйственных машин, автомобилей, тракторов. Чугуны с перлитной основой, обладающие очень высокой способностью гасить механические колебания (высокая демпфирующая способность), применяют для отливок станин станков и механизмов, а также для изготовления дизельных цилиндров, деталей блока двигателей внутреннего сгорания (поршневые кольца, штоки).
Микроструктура серых чугунов
При рассмотрении в микроскоп микрошлифа серого чугуна хорошо видны включения пластинчатого графита (рис.3). На величину и расположение включений графита влияют скорость охлаждения, температура и время выдержки расплавленного чугуна перед отливкой, химический состав чугуна, введение в чугун некоторых примесей (модификаторов). Например, скорость охлаждения влияет таким образом, что при прочих равных условиях графит образуется тем крупнее, чем медленнее охлаждение . Чем больше перегрев жидкого чугуна и чем дольше время выдержки при этом, тем мельче получаются графитные включения .
Рис. 3. Включения пластинчатого графита. Шлифы нетравленые (х100):
а) прямолинейные; б) завихренные; в) розеточные, г) междендритные
Металлическая основа в серых чугунах очень сходна с микроструктурой сталей и в зависимости от количества связанного углерода может быть ферритной, ферритно-перлитной и перлитной .
Рис. 4. Ферритный серый чугун - феррит и пластинчатый графит;
а)
Рис. 5. Ферритно-перлитный серый чугун – феррит+перлит+ пластинчатый графит: а) микроструктура (х500); б) схема микроструктуры
Рис. 6. Перлитный серый чугун - перлит+пластинчатый графит:
а) микроструктура (х500); б) схема микроструктуры
Таким образом, возможны следующие типы структур серых чугунов: феррит + пластинчатый графит – ферритный серый чугун (рис. 4). Феррит + перлит + пластинчатый графит – ферритно-перлитный серый чугун (рис. 5). Соотношение количества феррита и перлита в структуре чугуна может быть различным в зависимости от химического состава и условий охлаждения. Перлит + пластинчатый графит – перлитный серый чугун на рис. 6.
Рис. 7. Микроструктура серого чугуна с фосфидной эвтектикой:
перлит + пла стинчатый графит + фосфидная эвтектика (х500)
При повышенных концентрациях фосфора в серых чугунах имеется фосфидная эвтектика (рис. 7), расползающаяся полностью или частично по границам зерен.
Классификация чугунов
Чугун отличается от стали по составу более высоким содержанием углерода, по технологическим свойствам — лучшими литейными качествами, малой способностью к пластической деформации (в обычных условиях не поддается ковке). Чугун дешевле стали.Чугуны классифицируют по следующим показателям:
. состоянию углерода:
— белый чугун — весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбида;
— серый чугун — углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в форме пластинчатого или волокнистого (завихренного) графита;
— высокопрочный чугун — углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в форме шаровидного графита;
— ковкий чугун — получают в результате отжига отливок из белого чугуна. Весь углерод или значительная часть его находится в свободном состоянии в форме хлопьевидного графита (углерода отжига);
. структуре:
— ферритный;
— ферритно-перлитный;
— перлитный;
. химическому составу:
— нелегированный;
— легированный — специального назначения.
Таким образом, чугун (кроме белого) отличается от стали наличием в структуре графитовых включений (рис. 1), а между собой чугуны различаются по форме этих включений.
Механические свойства чугунов зависят от структуры и в основном от формы, количества, размеров и характера распределений графитовых включений. Графитовые включения определяют технологические и эксплуатационные свойства чугунов. Наличие графитовых включений облегчает обработку деталей из чугуна резанием вследствие ломкой стружки. Графит повышает износостойкость и придает хорошие антифрикционные свойства чугуну путем собственного «смазывающего» действия. Чугун обладает низкой чувствительностью к различным поверхностным дефектам, надрезам, проточкам и т. п., так как графитовые включения сами являются концентраторами напряжений, и добавление к ним еще нескольких не оказывает существенного влияния на общую прочность материала. В отличие от металлической основы графит плохо передает упругие колебания, поэтому чугун обладает высокой демпфирующей способностью, что позволяет гасить вибрацию и резонансные колебания.
Твердость чугунов мало зависит от формы графитовых включений и определяется структурой металлической основы. У ферритных чугунов твердость составляет -150 НВ, у феррито-перлитных -200 НВ; перлитных -250 НВ.
Примеси в чугуне
Обычный промышленный чугун содержит те же примеси, что и углеродистая сталь, т. е. марганец, кремний, серу и фосфор, но в большем количестве. Эти примеси существенно влияют на условия графитизации и, следовательно, на структуру и свойства чугуна.Кремний особенно сильно влияет на структуру чугуна, усиливая графитизацию. Содержание кремния в чугунах колеблется в широких пределах: от 0,3—0,5 до 3—5 %. Изменяя содержание кремния, можно получить чугуны, совершенно различные по свойствам и структуре — от малокремнистого белого до высококремнистого ферритного (серого с пластинчатым или высокопрочного с шаровидным графитом).
Марганец в отличие от кремния препятствует графитизации, или, как говорят, способствует отбеливанию чугуна.
Сера также способствует отбеливанию чугуна, но одновременно ухудшает его литейные свойства (в частности, снижает жидкотекучесть). Поэтому содержание серы в чугуне лимитируется: верхний предел для мелкого литья — 0,08 %; для более крупного (когда можно допустить несколько худшую жидкотекучесть) -до 0,1-0,12% S.
Фосфор практически не влияет на процесс графитизации. Однако фосфор — полезная примесь в чугуне, так как он улучшает жидкотекучесть.
Белый чугун
Такое название чугун получил по виду излома, который имеет матово-белый цвет. Весь углерод в этом чугуне находится в связанном состоянии в виде цементита. Белые чугуны в зависимости от содержания углерода могут быть доэвтектическими (перлит + ледебурит), эвтектическими (ледебурит) и заэвтектиче-скими (первичный цементит + ледебурит). Эти чугуны отличаются большой твердостью (450—550 НВ) из-за присутствия в них большого количества цементита. Поэтому они очень хрупкие и для изготовления деталей машин не используются. Отливки из белого чугуна служат для последующего изготовления ковкого чугуна с помощью графитизирующего отжига. В дальнейшем он применяется для изготовления деталей повышенной усталостной прочности: коленчатых и распределительных валов, седел клапанов, зубчатых колес масляного насоса, суппортов дискового тормозного механизма и др.Отбеленные чугуны-отливки имеют поверхностные слои (12—30 мм) со структурой белого чугуна, а сердцевину — со структурой серого чугуна. Высокая твердость поверхности такой отливки повышает ее стойкость к истиранию. Поэтому отбеленный чугун применяют для изготовления валков листовых прокатных станов, колес, тормозных колодок и многих других деталей, работающих в условиях повышенного изнашивания.
Серый чугун
Такое название чугун получил по виду излома, который имеет серый цвет. В структуре серого чугуна имеется графит. Структура чугуна состоит из металлической основы и графита (в форме пластин), и свойства его зависят от этих двух составляющих.Графит по сравнению со сталью имеет низкие механические свойства, поэтому в некотором приближении можно считать, что места, которые он занимает, — это пустоты и трещины. С увеличением числа пустот механические свойства чугуна резко ухудшаются. При растягивающих напряжениях легко образуются центры разрушения на концах графитных включений. Значительно лучше ведет себя чугун при сжатии и изгибах.
Серые чугуны являются сплавами сложного состава, содержащими железо, углерод, кремний, марганец и примеси, такие, как сера и фосфор. Последний частично растворяется в феррите (-0,3 %) и, кроме того, входит в тройную эвтектику (Fe—С—Р) с температурой плавления 950 °С. Это существенно улучшает литейные свойства чугуна.
Сера — вредная примесь, снижает механические и литейные свойства чугунов и повышает склонность к образованию в них трещин.
Кремний входит в состав серых чугунов (1—3 %) как основной химический элемент и увеличивает выделение графита при затвердевании и разложении выделившегося цементита.
Марганец (0,2—1,1 %) положительно влияет на механические свойства чугуна, но затрудняет процесс графитизации или способствует его отбеливанию. Таким образом, можно сказать, что степень графитизации напрямую зависит от количества углерода (2,2—3,7 %) и кремния (1—3 %) в чугуне.
В небольших количествах в серые чугуны могут попасть из руды хром, никель и медь, которые тоже влияют на условие графитизации. Количество графитных включений и структура основы влияют на свойства серого чугуна.
По структуре металлической основы серые чугуны делят на три группы:
1) серый перлитный со структурой перлит + графит (количество связанного углерода составляет -0,8 %.);
2) серый ферритно-перлитный со структурой феррит + перлит + графит (количество связанного углерода меньше 0,8);
3) серый ферритный со структурой феррит + графит (весь углерод в виде графита).
Механические свойства серого чугуна зависят от свойств металлической основы и ее количества, формы и размеров графитных включений (пустот).
Маркировка. По ГОСТ 1412—85 в обозначение чугуна входит сочетание букв и цифр, например СЧ15. СЧ обозначает серый чугун, цифры показывают значение временного сопротивления при растяжении. Стандарт предусматривает следующие марки чугуна: СЧ10; СЧ15; СЧ18; СЧ20; СЧ21; СЧ24; СЧ25; СЧЗО; СЧ35; СЧ40; СЧ45.
Значения показателей некоторых серых чугунов приведены в табл. 1.
Таблица 1. Механические показатели некоторых серых чугунов
Наличие графита способствует измельчению стружки при обработке резанием и оказывает смазывающее действие, что повышает износостойкость чугуна.
Ферритные серые чугуны марок СЧ10 и СЧ15 используют для слабо- и средненагруженных деталей: крышек, фланцев, маховиков, суппортов, тормозных барабанов, ведущих дисков сцепления и т. д.
Ферритно-перлитные серые чугуны марок СЧ20 и СЧ25 применяют для деталей, работающих при повышенных статических и динамических нагрузках: блоков цилиндров двигателя, поршней цилиндров, барабанов сцепления, станин станков и др.
Перлитный чугун применяют для отливки станин мощных станков и механизмов. Часто используют перлитные серые модифицированные чугуны. Такие чугуны получают при добавлении в жидкий чугун перед разливкой специальных добавок — ферросилиция (0,3—0,6 % от массы шихты) или силикокальция (0,3—0,5 % от массы шихты). К таким чугунам относят чугуны марок СЧ40 и СЧ45, которые обладают более высокими механическими свойствами из-за измельчения формы графитных включений. Эти чугуны применяют для изготовления корпусов насосов, компрессоров и гидроприводов.
Для деталей, работающих при повышенных температурах, применяют легированные серые чугуны, которые дополнительно содержат хром, никель, молибден и алюминий.
Чугун - сплав железа с углеродом
(содержанием
более 2, 14%).
Углерод в чугуне
может содержаться в
виде цементита и графита.
В
чугуны
.
Чугуны
в
Чугу́н - сплав железа с углеродом с содержанием
более 2, 14 % (точка предельной растворимости углерода в
аустените на диаграмме состояний).
Углерод в чугуне
может содержаться в
виде цементита и графита.
В
зависимости от формы графита и количества цементита, выделяют: бледный, бесцветный, ковкий и высокопрочные чугуны
.
Чугуны
держат постоянные примеси (Si, Mn, S, P), а в
отдельных событиях также легирующие элементы (Cr, Ni, V, Al и др.).
Обыкновенно, чугун
хрупок.
Ковкий чугун
получают длительным отжигом белого чугуна
, в
итоге которого образуется графит хлопьевидной формы.
Металлическая основа такого чугуна
: феррит и реже перлит.
Ковкий чугун
получил свое название из - за повышенной пластичности и вязкости (при всем при том, что обработке давлением не подвергается).
Ковкий чугун
обладает повышенной крепостью при растяжении и рослым сопротивлением удару.
Из ковкого чугуна
изготовляют детали непростой фигуры: картеры заднего моста машин, тормозные колодки, тройники, угольники и т. д.
Включая небольшое сопротивление отливок из серого чугуна
растягивающим и ударным нагрузкам, следует использовать сей материал для подробностей, которые подвергаются сжимающим или изгибающим нагрузкам.
В
станкостроении это – базовые, корпусные детали, кронштейны, зубчатые колеса, ведущие;
в
автостроении - блоки цилиндров, поршневые кольца, распределительные валы, диски сцепления.
Отливки из серого чугуна также используются в
электромашиностроении, для изготовления товаров народного потребления.
Углерод в чугуне
может находиться в
виде цементита, графита или в
то же самое время в виде цементита и графита.
Возникновение постоянной фазы - графита в чугуне
может происходить в
итоге прямого выделения его из слабого (твердого) раствора или вследствие распада предварительно образовавшегося цементита (при замедленном охлаждении расплавленного чугуна
цементит может подвергнуться разложению РезС - > Fe + ЗС с образованием феррита и графита).
Процесс формирования в чугуне
(стали) графита называют графитизацией.
По содержанию углерода чугуны
подразделяются на доэвтектический - 2, 14 ...
4, 3 % С, эвтектический - 4, 3 % С и заэвтектический - 4, 3 ...
6, 67 % С углерода
.
Доэвтектические чугуны
, включающие 2, 14 ...
4, 3 % С, после окончательного охлаждения имеют структуру перлита, ледебурита (перлит + цементит) и вторичного цементита.
Эвтектический чугун
(4, 3% С) при температуре ниже + 727 °С состоит только из ледебурита (перлит + цементит).
Заэвтектический, который нельзя отменить 4, 3 ...
6, 67 % С, при температуре ниже + 727 °С состоят из первичного цементита и ледебурита (перлит + цементит).
На практике наибольшее распространение получили доэвтектические чугуны
, включающие 2, 4 ...
3, 8% С углерода
.
Тельное значение содержания углерода в чугуне
определяется его технологическими характеристиками при литье - обеспечение хорошей жидкотекучести.
Жидкотекучесть - это способность металлов и сплавов в
расплавленном состоянии заполнять полость формы, точно воспроизводить очертания и размеры отливки.
Увеличенное содержание углерода в чугуне
выше 3, 8% С приводит к резкому возрастанию твердости и хрупкости.
Жидкотекучесть определяется по спиральной пробе, а ее величина по длине заполнения части спирали.
Усадка - уменьшение линейных и обьемных размеров металла, затопленного в
фигуру при его кристаллизации и охлаждении.
В промышленности разновидности чугуна
маркируются следующим типом: передельный чугун
- П1, П2 ;
передельный чугун
для отливок (передельно - литейный) - ПЛ1, ПЛ2, передельный фосфористый чугун
- ПФ1, ПФ2, ПФ3, передельный высококачественный чугун
- ПВК1, ПВК2, ПВК3 ;
чугун
с пластинчатым графитом - СЧ (цифры после букв « СЧ », значат величину временного сопротивления разрыву в
кгс/мм) ;
антифрикционный чугун
антифрикционный серый - АЧС, антифрикционный высокопрочный - АЧВ, антифрикционный ковкий - АЧК;
чугун
с шаровидным графитом для отливок - ВЧ (цифры после букв « ВЧ » означают временное сопротивление разрыву в
кгс/мм и относительное удлиненние (%) ;
чугун
легированный со специальными свойствами - Ч.
