Rich--house.ru

Строительный журнал Rich—house.ru
3 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Структура, свойства и применение чугунов (стр. 5 )

Чугуны. Структура чугунов

Чугунами называют железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2,14%. углерода (до 6,67%). Чугун обладает более низкими механическими свойствами, чем сталь, но дешевле и хорошо отливается в изделия сложной формы.

По структуре и форме выделения углерода чугун подразделяется на белый, серый и половинчатый.

Вбелом чугуне углерод находится в химически связанном состоянии, в виде цементита Fe3C, что и определяет его свойства: высокие твердость и хрупкость, хорошую сопротивляемость износу, плохую обрабатываемость режущими инструментами. Белый чугун применяют для получения серого и ковкого чугуна и стали.

По структуре белый чугун делится на:

доэвтектический, с содержанием углерода от 2,14 до 4,3%. Микроструктура такого сплава состоит из перлита, ледебурита и вторичного цементита (рис. 3.7, а);

Свойства обычного серого чугуна зависят от режима охлаждения и наличия некоторых примесей. Например, чем больше кремния, тем больше выделяется графита, а потому чугун делается мягче. Серый чугун имеет умеренную твердость и легко обрабатывается режущими инструментами. Серый чугун, применяемый в строительстве, должен иметь временное сопротивление при растяжении не менее 120 Н/мм 2 , а временное сопротивление при изгибе 280 Н/мм 2 .

Из серого чугуна отливают элементы конструкций, хорошо работающие на сжатие: колонны, опорные подушки, башмаки, отопительные батареи, трубы водопроводные и канализационные, плиты для полов, станины и корпусные детали станков, головки и поршни двигателей, зубчатые колеса и другие детали.

Ковкий чугун получают после длительного отжига белого чугуна при высоких температурах, когда цементит почти полностью распадается с выделением свободного углерода на ферритной или перлитной основе. В отличие от обычных серых, ковкие чугуны являются более прочными и пластичными и легче обрабатываются.

Высокопрочные (модифицированные) чугуны значительно превосходят обычные серые по прочности и обладают некоторыми пластическими свойствами. Их применяют для отливок ответственных деталей.

При испытании обычного серого и высокопрочного чугунов определяют временное сопротивление при растяжении, изгибе и сжатии, а при испытании ковкого чугуна – временное сопротивление при растяжении, относительное удлинение и твердость.

Чугуны маркируют двумя буквами и двумя цифрами, соответствующими минимальному значению временного сопротивления sв при растяжении
(в МПа), уменьшенному в 10 раз. Серый чугун обозначают буквами «СЧ»
(ГОСТ 1412-85), высокопрочный – «ВЧ» (ГОСТ 7293-85), ковкий – «КЧ»
(ГОСТ 1215-85).

СЧ10 – серый чугун с временным сопротивлением при растяжении ³ 100Н/мм 2 ;

ВЧ70 – высокопрочный чугун, sв при растяжении ³ 700 Н/мм 2 ;

КЧ35 – ковкий чугун, sв при растяжении ³ 350 Н/мм 2 .

При маркировке чугунов могут использоваться две группы цифр, стоящих после букв. В случае обычного серого и модифицированного чугуна, например СЧ12-28, первые две цифры обозначают временное сопротивление при растяжении, последующие две – временное сопротивление при изгибе. При маркировке высокопрочных и ковких чугунов в конце марки через тире приводится вторая группа цифр, указывающая на относительное удлинение (в процентах). Например, ВЧ38-17 (sв ³ 380 Н/мм 2 , d ³ 17%).

Что такое чугун? Свойства, состав, получение и применение

Многие знают о таком материале как чугун и его прочностных характеристиках. Сегодня мы с вами углубим эти знания и выясним, что такое чугун, из чего он состоит, каких видов бывает и как производится.

Состав

Что такое чугун? Это сплав из железа, углерода и разнообразных примесей, благодаря которым он обретает необходимые свойства. Материал должен иметь в своем составе не менее 2,14% углерода. В противном случае, это будет сталь, а не чугун. Именно благодаря углероду чугун обладает повышенной твердостью. Вместе с тем, данный элемент снижает пластичность и ковкость материала, придавая ему хрупкость.

Кроме углерода, в состав чугуна в обязательном порядке входят: марганец, кремний, фосфор и сера. В некоторые марки также вносят дополнительные присадки, для придания материалу специфических свойств. Среди часто используемых легирующих элементов можно отметить: хром, ванадий, никель и алюминий.

Свойства чугуна

Материал имеет плотность 7,2 г/см 3 . Для металлов и их сплавов это достаточно высокий показатель. Чугун хорошо подходит для производства всяческих изделий путем литья. В этом плане он превосходит все сплавы железа кроме некоторых марок стали.

Температура плавления чугуна равна 1200 градусам. У стали данный показатель выше на 250-300 градусов. Причина тому кроется в повышенном содержании в чугуне углерода, которое обуславливает менее тесные связи между атомами железа. Во время выплавки чугуна и его последующей кристаллизации, углерод в полной мере не успевает внедриться в структуру железа. Поэтому материал получается хрупким. Структура чугуна не позволяет использовать его для производства продукции, которая постоянно подвержена динамическим нагрузкам. А вот для чего чугун подходит идеально, так это для деталей, которые должны обладать повышенной прочностью.

Получение

Получение чугуна – весьма затратный и материалоемкий процесс. Чтобы получить одну тонну сплава, необходимо 550 кг кокса и 900 л воды. Что касается руды, то ее количество зависит от содержания в ней железа. Как правило, используется руда с массовой долей железа не менее 70%. Обработка менее богатых руд нецелесообразна с экономической точки зрения.

Прежде чем отправиться на переплавку, материал обогащается. Производство чугуна в 98% случае происходит в доменных печах.

Технологический процесс включает в себя несколько этапов. Сначала в доменную печь загружается руда, в состав которой входит магнитный железняк (соединение двух- и трехвалентного оксида железа). Также могут использоваться руды, в которых содержатся водная окись железа или его солей. Кроме сырья, в печь кладут коксующиеся угли, необходимые для создания и поддержания высокой температуры. Продукты горения углей как восстановители железа также участвуют в химических реакциях.

Дополнительно в топку подается флюс, играющий роль катализатора. Он ускоряет процесс плавления пород и освобождения железа. Важно отметить, что прежде чем попасть в топку, руда должна пройти специальную обработку. Так как мелкие части лучше плавятся, ее предварительно измельчают на дробильной установке. Затем руду промывают, чтобы избавиться от примесей, не содержащих металла. Затем сырье высушивается и проходит обжиг в печах. Благодаря обжигу из него удаляется сера и прочие чужеродные элементы.

После полной загрузки печи начинается второй этап производства. Когда горелки запущены, кокс постепенно разогревает сырье. При этом выделяется углерод, который реагирует с кислородом и образует оксид. Последний принимает активное участие в восстановлении железа из находящихся в руде соединений. Чем больше газа накапливается в печи, тем медленнее протекает реакция. Когда нужная пропорция достигнута, реакция и вовсе останавливается. Избыток газов в дальнейшем служит топливом для поддержания необходимой температуры в печи. У этого метода есть несколько сильных сторон. Во-первых, он позволяет снизить затраты горючего, что удешевляет производственный процесс. И, во-вторых, продукты горения не попадают в атмосферу, загрязняя ее, а продолжают участвовать в производстве.

Избыток углерода перемешивается с расплавом и поглощается железом. Так и получается чугун. Примеси, которые не расплавились, всплывают на поверхность смеси и удаляются. Их называют шлаком. Шлак находит применение в производстве некоторых материалов. Когда из расплава удалены все лишние частицы, в него добавляют специальные присадки.

Разновидности

Что такое чугун и как его получают, мы уже выяснили, теперь разберемся с классификацией этого материала. Описанным выше путем получают передельный и литейный чугун.

Передельный чугун используется в производстве стали по кислородно-конвертерному пути. Этот вид отличается низким содержанием кремния и марганца в сплаве. Литейный чугун применяют в производстве всяческой продукции. Он делится на пять видов, каждый из которых рассмотрим отдельно.

Белый

Это сплав отличается содержанием избыточной части углерода в виде карбида или цементита. Название этому виду было дано за белый цвет в месте разлома. Содержание углерода в таком чугуне обычно превышает 3%. Белый чугун отличается высокой хрупкостью и ломкостью, поэтому его применяют ограниченно. Данный вид используют для производства деталей простой конфигурации, которые выполняют статические функции и не несут больших нагрузок.

Благодаря добавлению в состав белого чугуна легирующих присадок, можно повысить технические параметры материала. С этой целью чаще всего используют хром или никель, реже — ванадий или алюминий. Марка с подобного рода присадками получила название «сормайт». Она используется в различных устройствах как нагревательный элемент. «Сормайт» обладает высоким удельным сопротивлением, и хорошо работает при температурах не выше 900 градусов. Самое распространенное применение белого чугуна – производство бытовых ванн.

Серый

Это наиболее распространенная разновидность чугуна. Она нашла применение в разных областях народного хозяйства. В сером чугуне углерод представлен в виде перлита, графита или же феррито-перлита. В таком сплаве содержание углерода составляет порядка 2,5%. Как для чугуна, этот материал обладает высокой прочностью, поэтому его используют в производстве деталей, которые получают циклическую нагрузку. Из серого чугуна делают втулки, кронштейны, зубчатые шестеренки и корпуса промышленного оборудования.

Благодаря графиту серый чугун снижает силу трения и улучшает действие смазок. Поэтому детали из серого чугуна имеют высокую стойкость к данному виду износа. При эксплуатации в особо агрессивных средах в материал вводятся дополнительные присадки, позволяющие нивелировать негативное воздействие. К таковым относятся: молибден, никель, хром, бор, медь и сурьма. Эти элементы защищают серый чугун от коррозии. Кроме того, некоторые из них повышают графитизацию свободного углерода в сплаве. Благодаря этому создается защитный барьер, предотвращающий попадание на поверхность чугуна разрушающих элементов.

Половинчатый

Промежуточным материалом между двумя первыми разновидностями является половинчатый чугун. Содержащийся в нем углерод представлен в виде графита и карбида приблизительно в равных долях. Кроме того, в таком сплаве могут присутствовать в незначительных количествах лидебурит (не более 3%) и цементит (не более 1%). Общее содержание углерода в половинчатом чугуне колеблется 3,5 до 4,2%. Данная разновидность применяется для производства деталей, которые эксплуатируются в условиях постоянного трения. К таковым можно отнести автомобильные тормозные колодки, а также валки для измельчительных станков. Для еще большего повышения износостойкости в сплав добавляют всяческие присадки.

Ковкий

Этот сплав представляет собой разновидность белого чугуна, который с целью графитизации свободного углерода подвергается специальному обжигу. По сравнению со сталью, такой чугун имеет улучшенные демпфированные свойства. Кроме того, он не столь чувствителен к надрезам и хорошо работает в условиях низких температур. В таком чугуне массовая доля углерода составляет не более 3,5%. В сплаве он представлен в виде феррита, зернистого перлита, содержащего вкрапления графита или феррито-перлита. Ковкий чугун, как и половинчатый, используют в основном в производстве деталей, эксплуатирующихся в условиях непрерывного трения. Для повышения эксплуатационных характеристик материала в сплав добавляют магний, теллур и бор.

Высокопрочный

Данный вид чугуна получается вследствие образования в металлической решетке включений графита шаровидной формы. Из-за этого металлическая основа кристаллической решетки ослабевает, и сплав обретает улучшенные механические свойства. Образование шаровидного графита происходит благодаря введению в материал магния, иттрия, кальция и церия. Высокопрочный чугун близок по своим параметрам к высокоуглеродистой стали. Он неплохо поддается литью и может полностью заменить стальные детали механизмов. Благодаря высокой теплопроводности данный материал может быть использован для изготовления трубопроводов и отопительных приспособлений.

Трудности промышленности

На сегодняшний день литье чугуна имеет сомнительные перспективы. Дело в том, что из-за высокого уровня затрат и большого количества отходов промышленники все чаще отказываются от чугуна в пользу дешевых заменителей. Благодаря быстрому развитию науки уже давно стало возможным получение более качественных материалов при меньших затратах. Серьезную роль в этом вопросе играет защита окружающей среды, которая не приемлет использование доменных печей. Чтобы полностью перевести выплавку чугуна на электрические печи, нужны годы, если не десятилетия. Почему так долго? Потому что это очень дорого, и далеко не каждое государство может себе это позволить. Поэтому остается лишь ждать, пока наладится массовый выпуск новых сплавов. Конечно же, полностью прекратить промышленное применение чугуна в ближайшее время не получится. Но очевидно, что масштабы его производства будут падать с каждым годом. Эта тенденция началась еще 5-7 лет тому назад.

Заключение

Разобравшись с вопросом: «Что такое чугун?», можно сделать несколько выводов. Во-первых, чугун представляет собой сплав из железа, углерода и присадок. Во-вторых, он имеет шесть видов. В-третьих, чугун весьма полезный и универсальный материал, поэтому долгое время его дорогостоящее производство было целесообразно. В-четвертых, на сегодняшний день чугун уже считается пережитком прошлого, и планомерно уступает свои позиции более надежным и дешевым материалам.

Структура, свойства и применение чугунов

Сплавы железа с углеродом с содержанием углерода более 2,14% называются чугунами.

В зависимости от условий кристаллизации и последующей об­работки углерод в чугунах может находиться в виде цементита ли­бо в виде графита. В соответствии с этим различают две группы чугунов — белые и серые.

Белые чугуны по структуре могут состоять из перлита и леде­бурита (доэвтектические чугуны с содержанием углерода до 4,3%), ледебурита (эвтектический белый чугун) и ледебурита и це­ментита (заэвтектические белые чугуны, содержащие более 4,3% С).

Из-за присутствия в белых чугунах большого количества це­ментита они тверды и хрупки и для изготовления деталей машин практически не используются. Иногда на некоторых участках чугун­ных деталей (коренные шейки коленчатых валов, прокатные валки и т.д.) специально получают отбеленный поверхностный слой в це­лях повышения твердости и износостойкости.

Серые чугуны содержат большую часть углерода в виде графита. По форме графитовых включений они подразделяются на серые, ковкие и высокопрочные. Наличие графита в свободном состоянии приводит к уменьшению прочности, коэффициента трения и амплитуды резонан­сных колебаний (при этом гасится вибрация).

Серый чугун маркируется буквами: С — серый, Ч — чугун, например: СЧ10, СЧ15, СЧ18. Цифры обозначают предел прочности чугуна в кгс/мм 2 . В сером чугуне ледебурит отсутствует, а углерод частично или пол­ностью находится в виде пластинчатого графита (рис. 6.4).

Рис. 6.4. Серый чугун с пластинчатым графитом:

перлитоферритографитная микроструктура, х200

Основная метал­лическая матрица серого чугуна может состоять из феррита, смеси феррита и перлита или перлита. Соответственно этому подобные чу­гуны часто называются ферритными, ферритно-перлитными и перлитными. Серые Ф-П чугуны используют для изготовления деталей, испы­тывающих средние динамические нагрузки (блоки цилиндров двига­телей, головки цилиндров, корпуса гидронасосов и др.) и работа­ющих в условиях трения (гильзы цилиндров, барабаны сцепления и др.).

Перлитные серые чугуны применяют для изготовления деталей, работающих при достаточно высоких динамических нагрузках и в ус­ловиях трения (шестерни, звездочки, храповики, шпиндели, поршне­вые кольца и др.).

Ковкий чугун отличается тем, что углерод в нем находится в свободном состоянии в форме хлопьевидного графита (рис. 6.5).

Рис. 6.5. Ковкий чугун с хлопьевидным графитом:

ферритографитная микроструктура, х250

Ковкие чугу­ны получают путем специального отжига белого чугуна. В зависи­мости от режима отжига основная металлическая матрица может быть ферритной, ферритно-перлитной и перлитной. Образующиеся участки графита имеют вид крупных пятнистых включений неправиль­ной формы с глубоко изрезанными границами.

Ковкий чугун маркируется буквами: К — ковкий, Ч — чугун, например: КЧ 30-6, КЧ 35-10. Первая цифра обозначает предел прочности чугуна в кгс/мм 2 , вторая — относительное удлинение в %. Ферритно-перлитные и перлитные ковкие чугуны применяют для изготовления деталей, работающих при высоких статических и дина­мических нагрузках и в тяжелых условиях износа (муфты, звездоч­ки и звенья приводных цепей, тормозные колодки, коленчатые валы, лопасти центробежных дробеметных барабанов и др.).

Высокопрочный чугун характеризуется тем, что углерод в нем в значительной степени или полностью находится в свободном со­стоянии в форме шаровидного графита (рис. 6.6).

Такие чугуны получают пу­тем добавки в жидкий чугун перед разливкой небольших количеств определенных элементов (Mg, Zr, Ge и др.), которые изменяют условия кристаллизации. Графит имеет почти правильную ша­ровидную форму с четко очерченными границами.

Рис. 6.6. Высокопрочный чугун с шаровидным графитом:

перлитоферритографитная микроструктура, х200

Основная структу­ра обычно представляет собой перлит. Иногда вокруг графита на­блюдается оболочка феррита.

Высокопрочный чугун маркируется буквами: В — высокопрочный,

Ч — чугун, например: ВЧ 35, ВЧ 70. Цифра обозначает предел прочности чугуна в кгс/мм 2 . Высокопрочные чугуны применяют для изготовления ответствен­ных деталей, испытывающих знакопеременные динамические нагрузки (коленчатые валы двигателей, кронштейны, шестерни, тормозные дис­ки, прокатные валки и др.).

Классификация чугуна — виды

«Железное литьё» известно человечеству с незапамятных времен. В наше время оно широко используется во многих сферах народного хозяйства и носит название – чугун. И если о коленвалах, картерах редукторов, ступицах колес, арматуре обычный человек может и не знать, то о сковородках, чугунках, радиаторах, ваннах, решетках и других чугунных изделиях знают все.

Читать еще:  Подробная инструкция по использованию мультиметра и его возможностям

Металлургическая промышленность производит разные простые и специальные виды чугуна, для каждого из которых существует своя сфера применения.

Особенности чугунов

Чугун – железоуглеродистый сплав, выплавляемый с использованием топлива из магнитного, красного или бурого железняка, с добавлением специальных неорганических веществ – плавней (флюсов).

Очень многие не видят принципиальных отличий между сталью и чугуном, ошибочно предполагая, будто это одно и тоже.

Оба продукта металлургии являются сплавами – состоят из нескольких компонентов, одним из которых является железо.

Чугун выступает сырьём для производства стали.

Технологические свойства:

  • у стали – деформационные (штамповка, вальцевание, ковка);
  • у чугуна – литейные.

Присутствие углерода:

  • сталь – 0,02 — 2,14 %;
  • чугун – 2,14 — 6,67 %.

Внешние отличия:

  • чугун темный и матовый;
  • сталь серебристая и блестящая.

Различные физические характеристики

  • выше литейные качества;
  • легко обрабатывается резанием;
  • имеет меньший вес;
  • ниже температура плавления.

К минусам чугуна можно отнести:

  • малая пластичность;
  • хрупкость;
  • слабо поддаётся ковке и сварке.

У чугуна низкая себестоимость, он дешевле стали.

Добавки и примеси

Весь поставляемый чугун регламентирован ГОСТами по своему химическому составу и содержанию примесей. Чугунное литьё, помимо железа, имеет в себе некоторые «ингредиенты», влияющие на конечный продукт и добавляющие определенные особенности:

  • углероды – увеличивают твердость сплава;
  • кремний – улучшает литейные качества;
  • марганец – придает крепость;
  • сера — «загущает», ограничивает жидкотекучесть чугуна.
  • фосфор вызывает образование трещин в холодном состоянии и снижает механические параметры.

С целью улучшения исходного материала чугун легируют, то есть вводят различные легирующие добавки, изменяющие физические и/или химические свойства.

  • цирконий;
  • алюминий;
  • молибден;
  • титан;
  • ванадий;
  • медь;
  • хром.

Чугуны с большим содержанием кремния и марганца в составе относят к легированным.

Классификация чугунов

Металлургическая промышленность выпускает разные виды чугуна. Сорт зависит от участвующих в сплаве форм графита или цементита и остальных компонентов.

Серый чугун (СЧ)

Обозначают буквами СЧ. На разрезе – серовато-черный, что обусловлено присутствием графита, этого природного цвета. В составе также присутствуют различные примеси, в том числе и кремний. Этот вид чугуна, свободно поддающийся резке и часто употребляющийся в машиностроительной отрасли для «неосновных» деталей, при добавлении фосфора становится жидкотекучим. Применим для всех видов литья, в том числе художественного.

Белый чугун

На разрезе светлый, благодаря присутствию карбида железа. Подвергается дальнейшей переработке на ковкий чугун и сталь. Поэтому сорт называют передельным. Свойства – хрупкость и твердость, слабо обрабатываемый, не годится для самостоятельного использования. Твердый, слабо подвержен обработке, хрупкий – такие свойства делают его непригодным для самостоятельного использования.

Ковкий чугун

Обозначение — КЧ. При длительном отжиге белый чугун преобразуется в ковкий.

Свойства – не поддаётся обработке давлением, но при этом обладает повышенной сопротивляемостью ударам и прочностью при растяжении. Ковкий чугун подходит для изготовления деталей усложненной конфигурации.

Высокопрочный

Маркируют буквами ВЧ. Получают при введении в серый жидкий чугун спецдобавок, для придания графиту сфероидальной формы. Высокопрочный вид чугуна применяют для изготовления ответственных деталей – шестерён, коленвалов, поршней, которые должны иметь высокую износоустойчивость.

Форма выпуска передельного и литейного видов – специальные формы – чушки. Современные технологии позволяют получить полуфабрикаты, квадратные, листовые, пластинчатые, брусковые заготовки разновидностей чугуна.

В зависимости от назначения и химсостава выделяют следующие разновидности чугуна:

  1. ферросплавы
  2. легированные.

Они имеют названия, соответствующие металлам-добавкам:

  • циркониевые;
  • хромистые;
  • ванадиевые;
  • медные;
  • титановые.

Легированные виды более всего востребованы в производстве агрегатов, механизмов, узлов и деталей, работающих в особо неблагоприятных средах и условиях.

Чугун, отличающийся увеличенным процентным включением ферромарганца или ферросилиция, относят к специальным – ферросплавам. Добавляются в сталеплавильном производстве для выделения кислорода – раскисления.

К легированным чугунам относят:

  1. Антифрикционные;
  2. Жаростойкие;
  3. Жаропрочные;
  4. Коррозионностойкие.

Антифрикционные виды маркируются первыми буквами АЧ. Например, АЧС — это антифрикционный серый чугун. Ещё можно увидеть маркировку АЧВ — антифрикционный высокопрочный чугун и АЧК — антифрикционный ковкий.

Жаростойкий вид маркируют буквами ЖЧ. Далее указывается буква обозначающая легирующий элемент. Например, ЖЧХ-2,5. Это жаростойкий чугун с добавлением хрома 2,5%.

К жаростойким относят марки: ЧН19ХЗШ.

К коррозионностойким: маркировка ЧНХТ, ЧН1МХД

Еще их называют специальными чугунами.

Производство

Технология промышленного извлечения железа из железосодержащего сырья и получение чугуна достаточно трудоёмкая и сложная. Нет смысла описывать все химические и технологические процессы и углубляться в терминологию. Изучить вопрос можно при желании в источниках по металлургии.

Чугун выплавляют из магнитного, красного, бурого железняка, на металлургических комбинатах, в специальных доменных печах. Топливом служит кокс, который частично могут заменять мазутом или газом.

Руда проходит предварительную подготовку, прежде чем попасть в доменную печь. Помимо руды и топлива, для плавки используют флюсы – известняки, необходимые для образования шлака и удаления серы из расплава.

Методы подготовки зависят от качества руды – это дробление, сортировка, окусковывание, обогащение и другие.

Пройдя все сложные процессы, руда превращается в шихту, которая непрерывно загружается в доменную печь.

Через фурмы в нижней части подается раскаленный воздух, обогащенный кислородом и природный газ, который сгорает под воздействием высоких температур, образуя диоксид кислорода. Поднимаясь выше, газ соединяется с кислородом и с еще не сгоревшим углеродом, преобразуясь в угарный газ СО. Он вступает в реакцию с оксидами железа, «отбирая» у них кислород.

В результате образуется почти чистый металл. Расплавленная чугунная масса стекает в горн. Несгораемые остатки также стекают вниз.

Готовый чугун сливают через определенные промежутки времени в специальные ковши.

Пока в печи идет процесс плавки, отверстие, через которое выпускают чугун, забивают специальной пробкой из тугоплавкой массы. Чтобы выпустить металл, в пробке пробивают отверстие. По специальным каналам в полу цеха поток расплавленного металла течет «красным сливом».

Жидкий шлак также выпускают из печи по другому каналу.

С каждой плавки берется проба. Металл заливают в специальную форму и делают анализ. Все процессы автоматизированы. За ними следят операторы.

А простому обывателю домна представляется гигантской пробиркой, в которой происходит «таинство» превращения железной руды в чугун.

Преимущества «железного литья»

Чугуны, как и любые материалы, имеют определенные плюсы и минусы, при эксплуатации различной продукции из них – запчастей к автомобилям, деталей станков, сантехнического оборудования и других изделий.

  • экологичность;
  • способность сохранять температуру;
  • высокая теплоотдача;
  • устойчивость к перепадам температур;
  • устойчивость к кислотам и щелочам;
  • коррозионная устойчивость;
  • некоторые виды – повышенной прочности, что позволяет сравнивать со сталью;
  • износостойкость;
  • долговечность.
  • хрупкость, при сборке следует соблюдать осторожность;
  • большой вес изделий;
  • ржавеет при длительном контакте с водой.

Основу черной металлургии в нашей стране составляет производство чугуна, стали и проката. Крупнейшим потребителем «железного литья» являются такие стратегически важные отрасли как металлообработка, машиностроение, строительство, транспорт, легкая промышленность, химическая и другие.

Железное литьё не сдает свои позиции и в производстве товаров народного потребления – чугунные котлы, сковородки, утятницы, ограды. Искусные мастера из этого металла создают самые настоящие произведения искусства – каминные решетки, ограды, скамейки, перила, украшая их ажурными чугунными кружевами.

Виды чугунов, их применение и маркировка

Выплавленный в доменных печах чугун в зависимости от вида содержащегося углерода делится на белый (передельный) и серый (литейный).

Белым (передельным) называется чугун, в котором углерод находится в виде цементита. Он имеет в изломе белый цвет (поэто­му его называют белым), обладает высокой твердостью и хрупко­стью, не поддается механической обработке. Белый чугун составляет около 80 % всех выплавляемых чугунов и идет в основном для пе­ределки в сталь.

Серым (литейным) называется чугун, в котором углерод на­ходится в виде пластинчатого графита. Он имеет в изломе серый цвет (поэтому его называют серым), обладает меньшей твердостью и хрупкостью, чем белый чугун, поддается механической обработке.

Серый чугун хорошо сопротивляется сжимающим нагрузкам, не­чувствителен к поверхностным дефектам и удовлетво-рительно со­противляется усталостному разрушению, но из-за низкой пластич­ности и ударной вязкости его использование в качестве конструк­ционного материала ограничено.

Различают следующие марки серого чугуна: СЧ 10, СЧ 15, СЧ 18, СЧ 20, СЧ 24, СЧ 25, СЧ 30,СЧ 35. Буквы СЧ в марке обозначают серый чугун, двузначная цифра соответствует пределу прочности при растяжении σв (МПа). Например, марка СЧ 18 показывает, что чугун этой марки имеет σв=176 МПа.

Разновидностью серого чугуна является ковкий чугун. Это ус­ловное название более мягкого и вязкого чугуна, чем серый, полу­чаемого из белого чугуна в результате длительного отжига. Суще­ствуют следующие марки ковкого чугуна по КЧ 30-6, КЧ 33-8, КЧ 35-10, КЧ 37-12, КЧ 45-6, КЧ 50-4, КЧ 56-4, КЧ 60-3, КЧ 63-2. Буквы КЧ в марке означают сокращенное название ковкий чугун, две первые цифры — предел прочности на растяже­ние (МПа), одна или две последние цифры — относительное удли­нение (%).

Ковкий чугун обладает хорошими механическими свойствами и высокой стойкостью к коррозии. В судостроении из него изготов­ляют малонапряженные детали судового оборудования, дельные вещи и арматуру (детали клапанов и задвижек, иллюминаторы, дверные ручки и т. п.).

Модифицированный чугун получают путем введения в жидкий серый чугун перед разливкой специальных элементов, называемых модификаторами, например, алюминия, кремния, кальция и др. Они увеличивают количество центров кристаллизации и, следовательно, измельчают графит.

Поэтому модифицированный чугун имеет по­вышенную прочность, лучшую стойкость против образования трещин и меньшую хрупкость, чем обычные серые. Все высшие марки серого чугуна получают методом модифицирования.

Высокопрочным называется серый чугун, содержащий шаровид­ный графит. Его получают введением в серый чугун магния, церия и висмута. Добавка их в расплавленный серый чугун, содержащий пластинчатый графит, превращает его в шаровидный. Высокопроч­ный чугун имеет более высокие механические свойства, чем обыч­ный серый, модифици-рованный и ковкий чугуны, а также среднеуглеродистая сталь.

В настоящее время выплавляют 10 марок высокопрочного чу­гуна ВЧ 38, ВЧ 42, ВЧ 45, ВЧ 50, ВЧ 50, ВЧ 60, ВЧ 70, ВЧ 80, ВЧ 100 и ВЧ 120. Буквы ВЧ обозначают высокопрочный чугун. Цифры — предел прочности на растяжение σв (МПа). Например, ВЧ 42, показывает, что он имеет σв=412 МПа.

В судостроении высокопрочные чугуны широко применяют вме­сто ковкого чугуна и среднеуглеродистой стали. Из них изготовля­ют различные судовые устройства, механизмы, дельные вещи и т. д. Наиболее распространен магниевый чугун, обладающий высокими механическими свойствами, что позволяет использовать его вместо ковкого чугуна при изготовлении ответственных деталей машин: коленчатых валов, картеров, шатунов и т.п., а также грузовых, зачистных, обогревающих и охлаждающих трубопроводов, дейдвудных труб, винтов регулируемого шага (ВРШ) и т. п.

Легированные чугуны

Легированными называют чугуны, в ко­торые введены легирующие (облагораживающие) примеси, напри­мер, хром, ванадий, молибден, никель, титан и др. Легирующие элементы повышают прочность, твердость, износостойкость, коррозион-ную стойкость и другие механические, технологические и хими­ческие свойства чугунов.

Все легированные чугуны в зависимости от суммарного содер­жания легирующих элементов делятся на:

Ø низколегированные (до 2,5 % легирующих элементов);

Ø среднелегированные (от 2,5 до 10 %);

Ø высоколегированные (свыше 10 %).

Разновидность легированных чугунов имеют разные марки. Вхо­дящие в марку легирующие элементы обозначают буквами:

Чугун сплав, его свойства, характеристики, виды и применение

Сплав железа с углеродом, где процентное содержание углерода варьируется от 2,14% до 6,67%, носит название «чугун». Помимо этих 2-х химических элементов, в состав входят следующие компоненты:

  1. Кремний – количество не превышает 4,3% и влияет на пластичность и литейные свойства сплава.
  2. Марганец – повышает прочность материала. Исполняет отбеливающую функцию, препятствуя графитизации. Количество составляет не больше 2%.
  3. Сера – оказывает негативное воздействие на материал и может стать причиной возникновения трещин. Содержание в сплаве варьируется от 0,07% до 0,15%
  4. Фосфор – увеличивает жидкотекучесть чугунного сплава. Примерное количество – 0,03%.

Слиток из чугуна

Углерод делает материал твердым и плотным, при этом снижая его пластичность. Из-за своей хрупкости чугун хорошо поддается только литейной обработке. В производстве сплав железа с углеродом занимает лидирующую позицию, уступая только стали. Количество углерода делит сплав на 3 вида:

  1. Доэвтектический – процентная часть углерода составляет от 2,14% до 4,2%.
  2. Эвтектический – количество углерода составляет 4,3%.
  3. Заэвтектический – содержание углерода варьируется от 4,4% до 6,67%.

По структуре чугунный сплав делится на 5 видов:

  1. Белый. На разрезе имеет светлый оттенок и отличительный блеск, из-за содержащегося карбида железа. Цемент придает сплаву твердость и высокую износостойкость. Поэтому, он трудно поддается резке. Из-за своей прочности используется в качестве наружного слоя. Из-за своей плотности белый чугун часто перерабатывается в сталь.
  2. Серый. Углерод представлен в виде пластичного графита. От этого, цвет чугуна на разрезе – темно-серый. Твердость металла значительно ниже, чем у белого. Хорошо поддается резной обработке. Материал обладает высоким уровнем вязкости и текучести. Если вам нужны услуги литья серого чугуна, то рекомендуем вам обратиться сюда.
  3. Ковкий. Изготавливается из серого чугуна путем литья. Графит в составе принимает хлопьевидную форму, что придает материалу пластичность. Может подвергаться деформации даже при комнатной температуре. Из-за отсутствия внутренних колебаний, изделия из ковкого чугуна не поддаются вибрационным нагрузкам.
  4. Высокопрочный. В серый чугун добавляется примесь марганца. Графит представлен шаровидной формой. Увеличивает прочность качества изделий, что приравнивает материал к стальным сплавам. Хорошо поддается литью.
  5. Половинчатый. Углерод представлен в составе как графитом, так и карбидом. Используется для производства деталей, которые подвергаются постоянному трению.

Сплав чугуна

По химическому составу выделяют легированный и нелегированный чугун.

  1. Нелегированный. В этот вид чугунного сплава не добавляются примеси. Количество марганца не превышает 2%, а кремния – 4%.
  2. Легированный. В состав добавляют различные примеси для улучшения качества материала. Например, если ввести в структуру 12% хрома, полученное изделие будет обладать повышенной стойкостью к коррозии. Добавление меди сделает материал плотнее, снизится вероятность появление трещин и улучшатся литейные качества. Так же, в состав добавляют никель, марганец, фосфор. От количества легированных компонентов выделяют низколегированные (меньше 2,5% дополнительных элементов), среднелегированные (от 2,5% до 10%) и высоколегированные (больше 10%) сплавы.

Чугун наделен следующими свойствами:

  1. Химические. Химический состав металла влияет на остальные свойства чугунного сплава.
  2. Физические. На удельный вес чугунного сплава влияет количество содержащегося углерода. Усадка чугуна, или уменьшения объема во время остывания после литья, зависит от степени графитизации и химического состава.
  3. Тепловые. Показатель теплоемкости определяет способность проведения тепла материалом. Различные добавки снижают теплопроводность железа. Интенсивность нагревания увеличивает теплоемкость.
  4. Гидродинамические. Высокое содержание марганца и серы делают материал вязким. Это свойство увеличивается при переходе в точку затвердевания.
  5. Технологические. Металл обладает стойкостью к внутренней вибрации, а также не дает материалу изнашиваться.
  6. Механические. На прочность изделия влияет количество графитных включений. Чем их меньше – тем прочнее готовый материал.

Применение чугуна

Чугунные изделия изготавливаются и используются в различных сферах, благодаря своей прочности и стойкости к низким температурам. Обширное применение металл получил в машиностроении. Из него изготавливают блоки для двигателей внутреннего сгорания, тормозные колодки.

Чугунные радиаторы отопления

В металлургической сфере чугунный сплав ценится за свои литейные свойства и низкую цену. Стоимость материала зависит от количества содержащегося углерода в составе сплава. Сантехническое оборудование, изготовленное из чугуна, до сих пор стоит во многих квартирах и исправно служит своим владельцам.

Благодаря своей пластичности, из металла получаются изделия различной формы. Ванны, раковины, радиаторы, трубы – они обладают продолжительном сроком эксплуатации и не подвергаются внешней деформации на протяжении долгого времени.

Заборные решётки из чугуна

Вещи, созданные из высокопрочного металла, можно встретить в архитектуре дворцов, усадеб и домов прошлых столетий. Из чугуна изготавливали решетки на окна, входные ворота, украшения для крыши и сада, памятники.

Металлический сплав может длительное время сохранять тепло. Поэтому, из него изготавливают посуду – казаны, сковородки. Изделия легко очищаются, благодаря хорошей гигиеничности, а химический состав не несет вреда для организма.

Читать еще:  Ремонт ЖК монитора. Замена инвертора подсветки

Детали водопроводные из чугуна

Изделия из чугунных сплавов уже долгое время считаются надежными, качественными и экологически чистыми. Материал включает в себя множество ценных свойств, благодаря чему большое количество деталей и оборудований активно выпускаются и используются.

Структура и свойства чугунов

В микроструктуре чугуна следует различать металлическую основу и графитные включения.

В зависимости от углерода, связанного в цементит, различают несколько видов чугунов:

Белый Чугун –весь углерод находится в виде Fe3C. Структура чугуна – перлит и ледебурит.

Половинчатый чугун –большая часть углерода (свыше 0,8%) находится в виде Fe3C.

Структура чугуна – перлит, ледебурит и пластичный графит.

Перлитный серый чугун.Структура – перлит и пластинчатый графит.

В том чугуне 0,7 — 08%углерода, и он находится в виде Fe3C, входящего в состав перлита.

Ферритно-перлитный серый чугун.Структура — перлит, феррит и пластичный графит. В этом чугуне в зависимости от степени распада эвтектоидного цементита в связанном состоянии находится от 0,7 до 0,1% С.

Ферритный серый чугун.Структура – феррит и пластичный графит. В этом случае весь углерод находится в виде графита.

Из структуры серых чугунов видно, что их металлическая основа похожа на структуру эвтектоидной стали, доэвтиктоидной стали и железа. Следовательно, по структуре чугуны отличаются от стали тем, что в чугунах имеются графитовые включения, что предопределяет их специфические свойства.

Металлическая основа в серых чугунах обеспечивает наибольшую прочность и износостойкость, если она имеет перлитную структуру. Присутствие в структуре феррита, не увеличивая пластичности и вязкости чугуна, снижает его прочность и износостойкость. Наименьшей прочностью обладает ферритный серый чугун.

Графит в чугунах может быть следующих основных форм.

Пластичный графит. В обычном чугуне графит образуется в виде прожилок лепестков; такой графит называется пластичным.

Шаровидный графит.В высокопрочных чугунах, выплавленных с присадкой небольшого количества магния, графит преобразуется в шаровидную форму.

Вермикулярный графит. Пластичная форма графита ухудшает свойства чугуна, поэтому разработаны методы плавки или последующей обработки, при которых изменяется, форма графита и улучшаются свойства чугуна. В настоящее время получают серый чугун с волокнистой (червеобразной) формой графита. Такой графит получил название вермикулярного.

Хлопьевидный графит. Если при отливке получить белый чугун, а затем, используя неустойчивость, цементита, путем отжига его разложить, то образующийся графит приобретает равновесную форму. Такой графит наз. хлопьевидным или углеродом отжига. На практике чугуны с хлопьевидным графитом называют ковким чугуном.

Таким образом, чугун с пластинчатым графитом называют обычным серым чугуном, чугун с шаровидным и вермикулярным графитом – высокопрочным чугуном, чугун с хлопьевидным графитом – ковким чугуном.

Влияние примесей

Обычный промышленный чугун не является двойным железоуглеродистым сплавом, а содержит те же примеси, что и углеродистые стали. Эти примеси существенно влияют главным образом на условия графитизации и, следовательно, на структуру и свойства чугуна.

Количество марганца в чугуне не превышает 1,25-1,4%. Марганец препятствует процессу графитизации, то есть затрудняет выделение графита и повышает способность чугуна к отбеливанию.

Сера –вредная примесь, ухудшающая механические и литейные свойства чугуна, поэтому ее содержание ограничивают до 0,1-0,12%. В сером чугуне сера образует сульфиды (FeS, MnS) или их твердые растворы (FeS, Mn) S.

Содержание фосфора в сером чугуне – около 0,2%, допускается иногда – 0,5%. При повышенном содержании фосфора в структуре чугуна образуются твердые включения фосфидной эвтектики. Образование эвтектики улучшает литейные свойства чугуна (повышает жидкотекучесть), повышает общую твердость и износостойкость, однако увеличивает хрупкость чугуна.

Кремний –особенно сильно влияет на структуру чугуна, усиливая графитизацию. Содержание кремния в чугунах колеблется в широких пределах – от 0,03-0,5до 3-5%. Изменяя содержание кремния, можно получить чугуны, совершенно различные по свойствам и структуре: от белого до ферритного (серого с пластинчатым графитом или высокопрочного с шаровидным графитом).

Кроме этих постоянных примесей в чугун часто вводят и другие элементы. Такие чугуны называются легированными.Преимущественно чугун легируют хромом, никелем, медью, алюминием, титаном. Хромом препятствует графитизации чугуна, а медь и никель способствуют ей.

Серые чугуны

В структуре серых чугунов большая часть или весь углерод находится в виде графита. Наибольшее применение нашли доэвтектические группы, содержащие 2,4-3,8% С. Чем выше содержание С, тем больше образуется графита и тем ниже содержание С, тем больше образуется графита и тем ниже его механические свойства. В связи с этим количество углерода в чугуне обычно не превышает (хорошей жидкотекучести) углерода должно быть не меньше 2,4%.

Поскольку структура чугуна состоит из металлической основы и графита, то и свойства чугуна будут зависеть от свойств металлической основы и количества и характера графитных включений.

Графит по сравнению со сталью обладает ничтожно низкими механическими свойствами, и поэтому графитные включения можно считать в первом приближении просто за пустоты, трещины. Отсюда следует, что чугун можно рассматривать как сталь, но испещренную большим количеством пустот и трещин.

Чем больше объема занимают эти пустоты, тем ниже будут свойства чугуна. При одинаковом объеме пустот, то есть количестве графита, свойства чугуна будут зависеть от его формы и расположения.

Чем меньше графитовых включений, чем они мельче и больше степень изолированности их друг от друга, тем выше прочность чугуна. Чугун с мелкими и завихренными графитными включениями обладает более высокими свойствами.

Разрушающая нагрузка при сжатии в зависимости от структуры чугуна в 3-5 раз больше, чем при растяжении, поэтому нужно использовать для изделий, работающих на сжатие.

Пластинки графита менее значительно, чем при растяжении, снижают прочность при изгибе, так как часть изделия при этом испытывает сжимающие напряжения. Предел прочности при изгибе имеет промежуточное значение между пределом прочности на растяжение и пределом прочности на сжатие.

Твердость чугуна в зависимости от металлической основы равна 143-255 НВ.

Сказанное относится главным образом к серому чугуну с пластинчатыми включениями графита. По мере округления графитных включений их данное отрицательное влияние уменьшается.

Округлые включения шаровидного графита не создают резкой концентрации напряжений; такие включения не являются трещинами, и чугун с шаровидным графитом показывает значительно более высокую прочность при растяжении и изгибе, чем чугун с пластинчатым графитом. Отсюда и название чугуна с шаровидным графитом – высокопрочный чугун. Ковкий чугун с хлопьевидным графитом занимает промежуточное положение по прочности между обычным серым и высокопрочным чугуном.

Таким образом, прочность чугуна (в отношении нормальных напряжений) определяется строением металлической основы и формой графитных включений.

Благодаря наличию графита чугун имеет некоторые преимущества перед сталью:

— наличие графита облегчает обрабатываемость резанием, делает стружку ломкой;

— графит повышает износостойкость и антифрикционные свойства чугуна вследствие собственного «смазывающего» действия и повышения прочности пленки смазки;

— наличие графитных включений быстро гасит вибрации и резонансные колебания;

— чугун почти не чувствителен к дефектам поверхности, надрезам и т.д. Графит, нарушая оплошность металлической основы, делает чугун малочувствительным ко всевозможным внешним концентраторам напряжений (дефектам поверхности, надрезам, выточкам и т.д.). Вследствие этого серый чугун имеет примерно одинаковую конструктивную прочность и в отливках простой формы или с ровной поверхностью, и в отливках сложной формы с надрезом или плохо обработанной поверхностью;

— следует также указать на превосходство чугуна перед сталью по литейным свойствам. Более низкая температура плавления и окончание кристаллизации при постоянной температуре (образование эвтектики) обеспечивают лучшую жидкотекучесть и заполняемость формы.

Указанные достоинства чугуна делают его ценными конструкционным материалом, широко применяемым для изготовления деталей машин, главным образом тогда, когда детали не испытывают значительных растягивающих и ударных нагрузок.

Серый чугун маркируется буквами С (серый) и Ч (чугун). После букв следуют цифры, указывающие среднее значение временного сопротивления при растяжении.

Серые чугуны по свойствам и применению можно разделить на следующие группы.

Ферритныеи ферритно-перлитные чугуны (СЧ10,СЧ15) имеют при растяжении Qв 10-15 кгсмм2 (100-150МПа), при изгибе – 28-32 кгс/мм2(280-320 МПа). Их примерный состав: 3,5-3,7%С; 2,0-2,6%Si;0,5-0,8% Mn;

Модифицированные чугуны(СЧ30, СЧ36, СЧ40, СЧ45) получают добавлением в жидкий чугун перед разливкой специальных модификаторов. Модифицирование применяют для получения в крупных отливках с различной толщиной стенок перлитной основы с вкраплением небольшого количества изолированных пластинок графита средней величины.

Модифицированию подвергают низкоуглеродистый чугун, содержащий небольшое количество кремния и повышенное количество марганца. Примерный состав чугуна до модификаций: половинчатый чугун, то есть ледебурит, перлит и графит (2,8-3,3% С; 1,0-1,5%Si; 0,8-1,2% Mn; не более 0,3%Р и 0,12%S).

Для снятия литейных напряжений и стабилизации размеров чугунные отливки отжигают при 500-700С. В зависимости от формы и размеров отливки выдержка при температуре отжига составляет 3-10ч.

Охлаждение после отжига медленное, вместе с печью. После такой обработки механические свойства изменяются мало, а внутренние нагрузки снижаются на 80-90%. Иногда для снятия напряжений в чугунных отливках применяют естественное старение чугуна – выдержка их на складе в течение 6-10 месяцев. Такая выдержка снижает напряжения на 40-50%.

Дата добавления: 2017-01-29 ; просмотров: 2015 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Урок по дисциплине «Материаловедение» на тему «Чугуны»

Тема урока: Чугуны

Тип урока: Урок усвоения нового материала.

Вид урока: Лекция.

Оборудование урока: учебник, компьютер, мультимедийный проектор.

  • учебные: изучить классификацию чугунов и влияние на качество и свойства чугунов углерода и примесей;
  • развивающие: развивать способность выделять главное и записывать это в виде конспекта, уметь самостоятельно усваивать знания; развивать творческое мышление, внимание;
  • воспитательные: воспитывать культуру общения, чувство коллективизма и сопереживания успехам и неудачам товарищей, умение работать в коллективе, формировать техническую грамотность студентов.

На уроке у обучающихся формируются основные общие и профессиональные компетенции, отвечающие требованиям ФГОС СПО по специальности 23.02.03 «Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта»:

1. Общие компетенции:

  • способность понимать сущность и социальную значимость своей будущей профессии, проявлять к ней устойчивый интерес (ОК 1);
  • способность организовывать собственную деятельность, выбирать типовые методы и способы выполнения профессиональных задач, оценивать их эффективность и качество (ОК 2);
  • способность осуществлять поиск и использование информации, необходимой для эффективного выполнения профессиональных задач, профессионального и личностного развития (ОК 4);

2. Профессиональные компетенции:

  • способность разрабатывать мероприятия по комплексному использованию сырья, по замене дефицитных материалов и изысканию способов утилизации отходов производства (ПК 1.3).

1. Организационный момент -3 мин.

Приветствие преподавателя, проверка готовности к уроку, организация внимания.

2. Актуализация опорных знаний — 5 мин.

В ходе фронтальной беседы студентам напоминаются основные понятия предыдущей темы, задаются следующие вопросы:

  • Расскажите о классификации сталей.
  • Какие постоянные примеси содержатся в сталях?
  • Что называется чугуном?

3. Формулировка темы и целей урока.

Тема: Чугуны.

Цель: в конце урока студенты должны знать классификацию чугунов и маркировку по ГОСТу, уметь расшифровывать марки чугунов.

4. Объяснение нового материала.

5. Закрепление нового материала.

Вопросы для закрепления

  1. Расскажите о классификации чугунов.
  2. Для изготовления каких деталей используют белый и серый чугуны?
  3. Какие детали изготовляют из высокопрочного и ковкого чугунов?
  4. Как обозначаются высокопрочные и ковкие чугуны?

6. Домашнее задание.

Конспект лекции, составить таблицу «Чугуны»

Рекомендуемый теоретический материал

  1. Классификация чугунов
  2. Белый чугун. Его структура, свойства, применение
  3. Серый чугун, его структура, свойства, маркировка по ГОСТу и применение
  4. Ковкий чугун
  5. Высокопрочный чугун
  6. Антифрикционные чугуны, маркировка, и применение

1. Классификация чугунов

Чугун представляет собой многокомпонентный сплав железа с углеродом, марганцем, кремнием, фосфором и серой. В чугуне также содержится незначительные количества водорода, азота и кислорода. В легированном чугуне могут быть хром, никель, ванадий, вольфрам и титан, количество которых зависит от состава проплавляемых руд.

В зависимости от назначения выплавляемые в доменных печах чугуны разделяют на три основных вида: передельный, идущий на передел в сталь; литейный, предназначенный для получения отливок из чугуна в машиностроении; доменные ферросплавы, используемые для раскисления стали в сталеплавильном производстве.

По структуре чугуны можно разделить на следующие группы:

  • серый — чугун, в котором углерод находится в виде графита.
  • белый — чугун, в котором углерод находится в виде цементита и перлита.

По назначению чугуны можно классифицировать так:

  • Ковкие
  • Жаростойкие
  • Высокопрочные
  • Антифрикционные.

2. Белый чугун. Его структура, свойства, применение

Такое название чугун получил по виду излома, который имеет матово-белый цвет.

Белые чугуны (передельные) редко используются в народном хозяйстве в качестве конструкционных материалов, так как из-за большого содержания цементита очень хрупкие и твердые, с трудом отливаются и обрабатываются инструментом. Из них делают детали гидромашин, пескометов и других конструкций, работающие в условиях повышенного абразивного изнашивания. Белый чугун применяется для изготовления деталей повышенной усталостной прочности: коленчатых и распредели­тельных валов, седел клапанов, шестерен масляного насоса, суп­портов дискового тормоза ВАЗ и др. Для увеличения износостойкости белые чугуны легируют хромом, ванадием, молибденом и другими карбидообразующими элементами. Маркировка белых чугунов не установлена.

Разновидностью белых чугунов является отбеленные чугуны. Поверхностные слои изделий из таких чугунов имеют структуру белого (или половинчатого) чугуна, а сердцевина — серого чугуна. Отбел на некоторую глубину (12. 30 мм) получают путем быстрого охлаждения поверхности (например, отливка чугуна в металлические или песчаные формы).

Для снятия структурных напряжений, которые могут привести к образованию трещин, отливки подвергают нагреву. Высокая износостойкость отбеленных чугунов обусловлена твердостью поверхности. Из отбеленного чугуна изготовляют прокатные валки листовых станов, колеса, шары для мельниц и др.

3. Серый чугун, его структура, свойства, маркировка по ГОСТу и применение

Структура серого (литейного) чугуна состоит из металлической основы с графитом пластинчатой формы, вкрапленным в эту основу. Такая структура образуется непосредственно при кристаллизации чугуна в отливке в соответствии с диаграммой состояния системы Fe-С (стабильной). Причем, чем больше углерода и кремния в сплаве и чем ниже скорость его охлаждения, тем выше вероятность кристаллизации по этой диаграмме с образованием графитной эвтектики. При низком содержании углерода и кремния чугун модифицируют небольшими дозами некоторых элементов (например, алюминий, кальций, церий).

Модифицирование металлов — введение в металлические расплавы модификаторов, то есть веществ, небольшие количества которых (обычно не более десятых долей %) способствуют созданию дополнительных искусственных центров кристаллизации, и следовательно, образованию структурных составляющих в измельченной или округлой форме, что улучшает механические свойства металла.

Для характеристики структуры серого чугуна необходимо определять размеры, форму, распределение графита, а также структуру металлической основы. В обычном сером чугуне при медленном охлаждении во время кристаллизации графит очень слабо разветвляется. Он похож на розетку с небольшим числом изогнутых лепестков.

Металлическая основа серых чугунов формируется из аустенита при эвтектоидном распаде и может быть перлитной, ферритной и ферритно-перлитной. Образование перлита происходит легко, в сравнительно короткий промежуток времени.

Механические свойства серых чугунов зависят от свойств металлической основы и, главным образом, от количества, формы и размеров графитных включений. Перлитная основа обеспечивает наибольшие значения показателей прочности и износостойкости.

Марки серых чугунов согласно ГОСТ 1412 — 85 состоят из букв «СЧ» и цифр, соответствующих минимальному пределу прочности при растяжении. Чугун СЧ15 — ферритный; СЧ25, СЧ30, СЧ35 — ферритно-перлитные чугуны, начиная с СЧ40- перлитные чугуны.

Серые чугуны обладают высокими литейными качествами (жидкотекучесть, малая усадка, незначительный пригар металла к форме и др.), хорошо обрабатываются и сопротивляются износу, однако из-за низких прочности и пластических свойств в основном используются для неответственных деталей. В станкостроении серый чугун является основным конструкционным материалом (станины станков, столы и верхние салазки, колонки, каретки и др.); в автомобилестроении из ферритно-перлитных чугунов делают картеры, крышки, тормозные барабаны и др., а из перлитных чугунов — блоки цилиндров, гильзы, маховики и др. В строительстве серый чугун применяют, главным образом, для изготовления деталей, работающих при сжатии (башмаков, колонн), а также санитарно-технических деталей (отопительных радиаторов, труб). Значительное количество чугуна расходуется для изготовления тюбингов, из которых сооружается туннель метрополитена.

4. Ковкий чугун

Ковким чугун называется потому, что его можно подвергать обработке давлением, хотя чугуны не куют, а детали из чугуна получают лишь методом литья в связи с тем, что ковкий чугун имеет более высокую пластичность по сравнению с серым.

Ковкие чугуны с хлопьевидной формой графита получают из белых доэвтектических чугунов, подвергая их специальному графитизирующему отжигу. Графитизирующий отжиг белого чугуна основан на метастабильности цементита и состоит обычно из двух стадий (рисунок)

Читать еще:  Особенности применения активного паяльного жира

Рисунок. Схема отжига белого чугуна в ковкий

Первая стадия (930. 1050°С) подбирается по длительности такой, чтобы весь цементит, находящийся в структуре отливки, распался на аустенит и хлопьевидный графит. Процесс графитообразования облегчается при модифицировании (например, алюминием и бором). Чугун, полученный таким образом, называется модифицированным.

На второй стадии графитизирущего отжига при температуре эвтектоидного превращения формируется металлическая основа ковкого чугуна. В зависимости от режимов охлаждения ковкие чугуны могут иметь перлитную (непрерывное охлаждение), ферритную (очень медленное охлаждение в интервале 700. 760°С) или ферритно-перлитную (сокращение продолжительности второй стадии отжига) металлические основы. Для получения в модифицированном ковком чугуне перлитной основы рекомендуется увеличивать содержание марганца, хрома и некоторых других элементов, которые повышают устойчивость цементита к распаду на феррит и пластинчатый графит в области температур эвтектоидного превращения.

Ковкие чугуны с перлитной металлической основой обладают высокими твердостью и прочностью в сочетании с небольшой пластичностью. Ковкий ферритный чугун характеризуется высокой пластичностью и относительно низкой прочностью.

Ковкий чугун согласно ГОСТ 1215 – 79 маркируется буквами «КЧ» и двумя числами: первое указывает временное сопротивление при растяжении; второе — относительное удлинение (%).

Ковкий чугун идет на изготовление деталей повышенной прочности и вязкости: картеров, редукторов, коробок передач, кронштейнов рессор и др.

5. Высокопрочный чугун

Высокопрочный чугун — чугун с шаровидным графитом, получают модифицированием жидкими присадками магния от массы обрабатываемой порции чугуна, церия, иттрия и некоторых других элементов. При этом перед вводом модификаторов необходимо снизить содержание серы.

Чтобы избежать образования в высокопрочных чугунах ледебурита, их подвергают графитизирующему отжигу. Продолжительность такого отжига благодаря повышенному содержанию графитизирующих элементов (углерода, кремния) значительно короче, чем при отжиге белого чугуна.

Структура высокопрочного чугуна состоит из металлической основы (феррит, перлит) и включений графита шаровидной формы. Шаровидный графит, имеющий минимальную поверхность при данном объеме, значительно меньше ослабляет металлическую основу, чем пластинчатый графит, и не является активным концентратором напряжений.

Марки высокопрочных чугунов согласно ГОСТ 7293-85 состоят из букв «ВЧ» и цифр, первые указывают величину временного сопротивления, вторые — относительное удлинение (%). Стандарт предусматривает следующие марки чугунов: ВЧ35-22; ВЧ40-15; ВЧ45-10; ВЧ50-7; ВЧ60-3; ВЧ70-2; ВЧ80-2; ВЧ100-2.

Высокопрочные чугуны обладают хорошими литейными и потребительскими свойствами (обрабатываемость резанием, способность гасить вибрации, высокая износостойкость и др.) свойствами. Они используются для массивных отливок взамен стальных литых и кованых деталей — цилиндры, шестерни, коленчатые и распределительные валы и др.

6. Антифрикционные чугуны, маркировка, и применение

Антифрикционными чугунами являются серые и высокопрочные чугуны специальных марок.

Антифрикционные серые чугуны — перлитные чугуны АЧС-1 и АЧС-2 и перлитно-ферритный чугун АЧС-3. Эти чугуны обладают низким коэффициентом трения, зависящим от соотношения феррита и перлита в основе, а также от количества и формы графита. В перлитных чугунах высокая износостойкость обеспечивается металлической основой, состоящей из тонкого перлита и равномерно распределенной фосфорной эвтектики при наличии изолированных выделений пластинчатого графита.

Антифрикционные серые чугуны применяют для изготовления подшипников скольжения, втулок и других деталей, работающих при трении о металл, чаще в присутствии смазочного материала. Детали, работающие в паре с закаленными или нормализованными стальными валами, изготавливают из чугунов АЧС-1 и АЧС-2, а для работы в паре с термически необработанными валами применяют чугун АЧС-3.

Антифрикционные высокопрочные (с шаровидным графитом) чугуны изготовляют с перлитной структурой — АЧВ-1 и ферритно-перлитной (50 % перлита) — АЧВ-2. Чугун АЧВ-1 используется для работы в узлах трения с повышенными окружными скоростями в паре с закаленным или нормализованным валом.

Главное достоинство антифрикционных чугунов по сравнению с баббитами и антифрикционными бронзами — низкая стоимость, а основной недостаток — плохая прирабатываемость, что требует точного сопряжения трущихся поверхностей.

Маркировка чугунов осуществляется путем сочетания букв и цифр.

Приняты следующие обозначения:

Пpимеp: АЧС1; АЧС2; АЧС3; АЧВ1; АЧВ2; АЧК1; АЧК2.

Буквы «АЧС» обозначают антифрикционный серый чугун; «АЧВ» — Антифрикционный высокопрочный чугун; «АЧК» — антифрикционный ковкий чугун.

Список используемой литературы

  1. Колесник П. А.Материаловедение на автомобильном транспорте : учеб­ник для студ. высш. учеб. заведений / П. А. Колесник, В. С. Кланица. — 2-е изд., стер. — М.: Издательский центр «Акаде­мия», 2007. — 320 с.
  2. Рогачева Л.В. Материаловедение.- М.: Колос- Пресс, 2002.- 136 с.: ил. (Учебники и учеб. пособия для среднего профессионального образования).
  3. Стуканов В.А. Материаловедение: учебное пособие – М.: ИД «Форум»: ИНФРА – М, 2008. – 368 с.: ил. – (Профессиональное образование)
  4. ГОСТ 1412-85 Чугун с пластинчатым графитом для отливок. Марки
  5. ГОСТ 1585-85 Чугун антифрикционный для отливок. Марки
  6. ГОСТ 7769-82 Чугун легированный для отливок со специальными свойствами. Марки

Изучение структуры и свойств чугунов

Цель работы: изучение микроструктуры чугунов разных марок, установление зависимости между структурой и механическими свойствами чугунов.

Приборы и оборудование: набор микрошлифов лабораторной коллекции чугунов, металлографические микроскопы с набором объективов и окуляров, реактивы для выявления микроструктуры.

Чугунами называются железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2,14% углерода. В машиностроении чугун является одним из основных литейных материалов, что объясняется прежде всего его хорошими литейными и прочностными свойствами. Он не подвергается обработке давлением. Главным фактором, определяющим свойства, а, следовательно, и область применения чугуна, является его структура, которая может быть разнообразной.

По структуре чугуны делят на белые (БЧ), серые (СЧ), ковкие (КЧ), высокопрочные (ВЧ).

Белые чугуны.Белым называется чугун, в котором весь углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементита Fe3C, который придает излому чугуна белый блестящий цвет.

Фазовые превращения в этих чугунах протекают согласно метастабильной диаграмме Fе-Fe3С (см. рис. 30). По структуре белые чугуны делятся на следующие виды:

а) доэвтектические, содержащие от 2,14 до 4,3% С. Они состоят из перлита, ледебурита и вторичного цементита, выделяющегося из зерен аустенита в интервале температур от 1147°С (линия ЕС) до 727°С (линия ). Вторичный цементит сливается с цементитом ледебурита и может быть не виден на микрошлифе как самостоятельная структурная составляющая (рис. 33, а);

б) эвтектические, содержащие 4,3% С. Они состоят из эвтектики – ледебурита, представляющего собой механическую смесь цементита и перлита (рис. 33, б);

в) заэвтектические, содержащие от 4,3 до 6,67%С. Они состоят из первичного цементита, выделяющегося в виде крупных пластин и ледебурита (рис. 33, в).

Рис. 33. Структура белого чугуна:

а – доэвтектического; б – эвтектического; в – заэвтектического

В микроструктуре белого чугуна содержится много цементита, поэтому он очень тверд и хрупок, но хорошо сопротивляется износу. Он почти не поддается обработке резанием (за исключением абразивного), поэтому белые чугуны не находят непосредственного применения в машиностроении, их используют редко, только для изготовления деталей, работающих в условиях повышенного абразивного изнашивания (детали гидромашин, пескометов и др.). Будучи главным продуктом доменной плавки, этот чугун используется вметаллургии для передела в сталь (передельный чугун). В незначительном количестве белый чугун применяется также для получения ковкого чугуна.

Серые чугуны.Серым называется чугун, в котором углерод находится в виде графита, имеющего форму слегка изогнутых пластин или чешуек, или разветвленных розеток с пластинчатыми лепестками. Вследствие большого количества графита в структуре такой чугун в изломе имеет серый цвет.

Содержание углерода в серых чугунах обычно колеблется в пределах 2,5. 4%, при этом до 0,83% углерода находится в химически связанном с железом состоянии. Серый чугун помимо железа и углерода содержит также кремний, марганец, серу, фосфор и т.д.

Кремний способствует процессу графитизации, уменьшает усадку, кремний входит в состав феррита, образуя с α-железом твердый раствор замещения.

Марганец увеличивает склонность чугуна к сохранению цементита, а, следовательно, и увеличивает твердость чугуна.

Сера – вредная примесь чугунов, она повышает их твердость и хрупкость в 5–6 раз больше, чем Mn и значительно ухудшает литейные свойства.

Фосфор в небольших количествах в чугунах является полезной примесью (в отличие от сталей), улучшает литейные свойства серого чугуна, так как фосфор образует эвтектику Fe + Fe2P, плавящуюся при температуре 983°С, что ценно для производства тонкостенного литья. Химический состав серых чугунов: 2,5…4% С; 1,0…4,8% Si; 0,5…0,7% Mn; до 0,12% S; 0,2…0,5% P.

По структуре металлической основы серые чугуны подразделяют в основном на следующие группы:

1. Перлитные. Структура П + ПГ (пластинчатый графит), металлическая основа – П, а количество связанного углерода (Fe3C) равно эвтектоидной концентрации 0,8% (рис. 34, а).

2. Ферритно-перлитные. Структура Ф + П + ПГ, металлическая основа их состоит из Ф + П, а количество Fe3C меньше эвтектоидной концентрации (рис. 34, б).

3. Ферритные. Структура Ф + ПГ. Основа их состоит из Ф, а Fe3C = 0 (рис. 34, в).

Рис. 34. Структура серого чугуна:

а – перлитного; б – ферритно-перлитного; в – ферритного

Механические свойства чугуна зависит от свойства металлической основы, количества и размеров графитных включений. При конструировании деталей машин следует учитывать, что серые чугуны работают на сжатие лучше, чем на растяжение. Они мало чувствительны к надрезам при циклическом нагружении, хорошо поглощают колебания при вибрациях, обладают высокими антифрикционными свойствами из-за смазывающей способности графита. Серые чугуны хорошо обрабатываются резанием, дешевы и просты в изготовлении. Наряду с этими положительными свойствами они имеют сравнительно невысокую прочность и чрезвычайно низкую пластичность.

Марка серого чугуна состоит из букв СЧ (серый чугун) и цифры, показывающей уменьшенное в 10 раз значение (в мегапаскалях) временного сопротивления при растяжении (см.табл. 8).

Прочность чугуна существенно зависит от толщины стенки отливки. Указанное в марке значение σв соответствует отливкам с толщиной стенки 15 мм. При увеличении толщины стенки от 15 до 150 мм прочность и твердость чугуна уменьшаются почти в два раза.

Графит, ухудшая механические свойства, в то же время придает чугунам ряд ценных свойств. Он измельчает стружку при обработке резанием, оказывает смягчающее действие и, следовательно, повышает износостойкость чугунов, придает им демпфирующую способность. Кроме того, пластинчатый графит обеспечивает малую чувствительность чугунов к дефектам поверхности. Благодаря этому сопротивления усталости чугунных и стальных деталей соизмеримы.

Согласно ГОСТ 1412-85 отливки изготавливают из серого чугуна следующих марок: СЧ10, СЧ15, СЧ18, СЧ20, СЧ25, СЧ30, СЧ35. Цифры в обозначении марки соответствуют минимальному пределу прочности при растяжении (σв, кгс/мм 2 ). Чугун СЧ10 – ферритный, а начиная с СЧ25 и более – перлитные, промежуточные – ферритно-перлитные.

Из ферритных чугунов изготавливают в основном неответственные детали, к которым предъявляются главным образом требования хорошей обрабатываемости резанием, а не прочности, например, плиты, грузы, корыта, крышки, кожухи и др.

Из ферритно-перлитных чугунов в автомобилестроении изготавливают картеры, тормозные барабаны, крышки, поршни, поршневые кольца, крупные шкивы, зубчатые колеса и др.

Из перлитных – блоки цилиндров, гильзы, маховики и др. В станкостроении серый чугун является основным конструкционным материалом (станины станков, столы и верхние салазки, шпиндельные бабки, колонки, каретки и т.д.). К износостойким относится отбеленный серый чугун (ОЧ), имеющий тонкий поверхностный слой со структурой белого чугуна. Применяется для изготовления отливок прокатных валков, вагонных колёс и т.д.

Ковкие чугуны. Название «ковкий чугун» является условным, поскольку изделия из него, как и из любого другого чугуна изготавливают не ковкой, а литьем. Название «ковкий» этот чугун получил вследствие более высоких, по сравнению с серыми чугунами пластических свойств.

Принципиальная схема технологии получения деталей из ковкого чугуна состоит из двух операций. Сначала путем отливки из белого доэвтектического чугуна получают детали (рекомендуемый химический состав заливаемого в формы сплава: 2,4. 2,9% С; 1,0. 1,6% Si; 0,3. 1,0% Мn; ≤ 0,1% S; ≤ 0,2% Р, затем полученные отливки подвергают специальному графитизирующему отжигу (томлению). Отжиг состоит обычно из двух стадий (рис. 35).

Вначале отливки из белого чугуна (чаще упакованные в ящики с песком) медленно нагревают в течение 20. 25 ч до температуры 950. 1050°С. И при этой же температуре длительно их выдерживают (в течение 10. 15 ч). В этот период протекает первая стадия графитизации, т.е. распад цементита, входящего в состав ледебурита (А + Fe3С), и установление стабильного равновесия аустенит + графит.

В результате распада цементита образуется хлопьевидный графит (углерод отжига).

Металлическая основа чугуна формируется на второй стадии отжига при эвтектоидном превращении. В случае непрерывного охлаждения отливки (на воздухе) в области эвтектоидной (727°С) температуры аустенит распадается на перлит и процесс графитизации не успеет охватить цементит перлита. Чугун принимает структуру: перлит пластинчатый + хлопьевидный графит (ХГ) Он обладает высокими твердостью, прочностью и небольшой пластичностью (НВ 235. 305, σв = 650. 680 МПа, δ = 3,0. 15%). Для повышения пластичности при сохранении достаточно высокой прочности проводится непродолжительная (2. 4 ч) изотермическая выдержка чугуна или замедленное охлаждение при температурах 690. 650°С. Это вторая стадия отжига, представляющая собой в данном случае отжиг на зернистый перлит.

В машиностроении широко применяется ферритный ковкий чугун, характеризующийся высокой пластичностью (δ = 10. 12%) и относительно низкой прочностью (σв = 370. 300 МПа). Ферритная основа чугуна образуется при очень медленном прохождении интервала 760. 720°С или в процессе изотермической выдержки при 720. 700°С. Здесь аустенит и цементит, в том числе и цементит перлита, если перлит успел образоваться, распадается на феррит + хлопьевидный графит. Хлопьевидная форма графита является основной причиной более высокой прочности и пластичности ковкого чугуне по сравнению с серым чугуном (см. табл. 8).

Продолжительность отжига в целом составляет 48. 96 ч (длительность второй стадии примерно в 1,5 раза больше, чем первой). Для сокращения продолжительности отжига в расплав перед его разливкой по формам вводится (модифицируют) алюминий (реже бор, висмут и др.), что создает дополнительные искусственные центры образования графита. Согласно ГОСТ 1215-79 выпускают следующие марки ковких чугунов КЧ30-6, КЧ33-8, КЧ35-10, КЧ37-12, КЧ45-7, КЧ50-5, КЧ55-4, КЧ60-3, КЧ65-3, КЧ70-2, КЧ80-1,5. Первые две цифры соответствуют минимальному пределу прочности при растяжении (σв, кгс/мм 2 ); цифры после тире – относительное удлинение (δ, %)

Рис. 35. График отжига белого чугуна на ковкий

Ковкие чугуны применяются для деталей, работающих при ударных вибрационных нагрузках (ступицы, тормозные колодки, коленчатые валы, крюки, картеры редукторов и др.).

Основным недостатком получения КЧ является длительный отжиг отливок и ограничение толщины их стенок (до 50 мм). В массивных деталях в результате замедленного охлаждения при кристаллизации возникает пластинчатый графит (вместо хлопьевидного), который снижает прочность и пластичность чугуна.

Высокопрочные чугуны.Высокопрочный чугун получают при модифицировании (микролегировании жидкого чугуна магнием (0,1. 0,5%) или церием (0,2. 0,3%). При этом под действием магния графит в процессе кристаллизации принимает не пластинчатую, а шаровидную форму. Микроструктура модифицированного чугуна на ферритной, перлитной, ферритно-перлитной основе приведена на рис. 36, а — в.

Рис. 36. Структура высокопрочного чугуна:

а – ферритного; б – перлитного; в – ферритно-перлитного

Основной причиной высоких механических свойств высокопрочного чугуна (см. табл. 8) является шаровидная форма графита. Шаровидный графит, имеющий минимальную поверхность при данном объеме, значительно меньше ослабляет металлическую основу чугуна, чем пластинчатый графит. В отличие от последнего он не является активным концентратором напряжений.

Согласно ГОСТ 7293-85, отливки изготавливают из высокопрочного чугуна следующих марок: ВЧ35, ВЧ40, ВЧ45, ВЧ50, ВЧ60, ВЧ70, ВЧ80, ВЧ100 (цифры в обозначении соответствуют минимальному пределу прочности при растяжении σв, кгс/мм 2 )

Высокопрочный чугун имеет высокие механические характеристики, обладает хорошими литейными и технологическими свойствами. Он применяется как новый материал и как заменитель стали, ковкого и серого чугуна с пластинчатым графитом. По сравнению со сталью обладает большей износостойкостью, лучшими антифрикционными и антикоррозионными свойствами, лучшей обрабатываемостью резанием, Вследствие меньшей плотности отливки легче стальных на 8. 10%. Из высокопрочного чугуна, в отличие от ковкого, можно отливать детали любого сечения, массы и размеров.

Области применения: в станкостроении – суппорты, резцедержатели, тяжелые планшайбы, шпиндели, рычаги и др.; для прокатного и кузнечно-прессового оборудования – прокатные валки, станины прокатных станов и ковочных молотов, шаботы, траверсы прессов; для других видов оборудования – барабаны тельферов экскаваторов, коленчатые валы и т.д.

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector