Что такое чугун: состав и содержание углерода в сплаве

Классификация

В зависимости от содержания углерода серый чугун называется доэвтектическим (2,14—4,3 % углерода), эвтектическим (4,3 %) или заэвтектическим (4,3—6,67 %). Состав сплава влияет на структуру материала.

В зависимости от состояния и содержания углерода в чугуне различают: белые и серые (по цвету излома, который обуславливается структурой углерода в чугуне в виде карбида железа или свободного графита), высокопрочные с шаровидным графитом, ковкие чугуны, чугуны с вермикулярным графитом. В белом чугуне углерод присутствует в виде цементита, в сером — в основном в виде графита.

В промышленности разновидности чугуна маркируются следующим образом:

• 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», обозначают 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 удлинение (%);
• чугун легированный со специальными свойствами — Ч.

Характерные черты и свойства чугуна

Этот металлический сплав обладает такими свойствами:

1. Физические свойства: удельный вес, действительная усадка, коэффициент линейного расширения. Например, содержание углерода в чугуне напрямую влияет на его удельный вес.
2. Тепловые свойства. Теплопроводность обычно рассчитывают по правилу смещения. Для твердого состояния металла объемная теплоемкость составляет 1 кал/см3*оС. Если металл находится в жидком состоянии, то она примерно равна 1,5 кал/см3*оС.
3. Механические свойства. Примечательно, что на эти свойства влияет как сама основа, так и форма и размеры графита. Серый чугун с перлитной основой является наиболее прочным, а с ферритной — самым пластичным. Пластинчатая форма графита характеризуется максимальным снижением прочности, в то время как у шаровидной формы это снижение минимально.
4. Гидродинамические свойства. Наличие в составе марганца и серы влияет на вязкость материала. Также она имеет свойство увеличиваться, когда температура сплава переходит точку начала затвердевания.
5. Технологические свойства. Этому металлу характерны отличные литейные качества, а также стойкость к износу и вибрации.
6. Химические свойства. По мере убывания электродного потенциала структурные составляющие сплава располагаются в следующем порядке: цементит — фосфидная эвтектика — феррит.

На свойства сплава также оказывают влияние специальные примеси:

• Добавление серы значительно уменьшает текучесть и снижает тугоплавкость.
• Фосфор позволяет изготовить изделия разнообразной формы, но при этом уменьшает его прочность.
• Добавление кремния уменьшает температуру плавления материала, а также заметно улучшает литейные свойства. Содержание кремния в различном процентном соотношении дает возможность получить сплавы разного цвета: от ферритного до чисто белого.
• Присутствие в сплаве марганца значительно повышает твердость и прочность материала, но при этом ухудшаются его литейные и технологические качества.
• Кроме этих примесей в состав сплава могут также входить иные компоненты. В таком случае материалы называют легированными. Чаще всего к чугуну примешиваются титан, алюминий, хром, медь и никель.

Руды для плавки

В земной коре довольно много железа, однако в чистом виде оно не встречается, его всегда добывают с горными породами в виде различных соединений. Железной рудой можно называть только те породы, из которых с экономической точки зрения выгодно добывать железо посредством плавления в печи. В природе существуют богатые и бедные железные руды. Если говорить с точки зрения металлургической промышленности, то в руде есть ряд полезных добавок, которые необходимы при получении чугуна, – это хром, никель, марганец и другие. Есть и вредные включения: сера, фосфор, медь и т.п. Кроме того, железная руда может делиться на несколько групп в зависимости от минерала:

• красный железняк – 70% железа, 30% кислорода;
• магнитный железняк – 72,4% железа, 27,6% кислорода;
• бурый железняк – до 60% железа;
• шпатовый железняк – до 48,3 % железа.

Логично было бы сделать вывод, что доменное производство чугуна должно предусматривать использование руды из второй группы. Но самой распространенной является первая, поэтому ее чаще и применяют.

Преимущества и слабые стороны чугуна

Чугунные сковороды лучше алюминиевых и практичнее стальных. Основные преимущества:

• Равномерный нагрев – посуда нагревается до одинаковой температуры на разных участках. Это препятствует прилипанию и пригоранию продуктов.
• Высокая теплоемкость – за счет пористой структуры сковорода долго остается горячей, сохраняя температуру приготовленных блюд.
• Естественные противопригарные свойства. Даже если ничего не делать, со временем поверхность чугунной посуды становится антипригарной. Поры закрываются жиром, который при высоких температурах меняет свои свойства и превращается в гладкую пленку.
• Толстое дно – по умолчанию литая чугунная сковорода имеет толстое дно и утолщенные стеки. Тонкого чугуна не бывает. А значит, блюда защищены от сгорания, обогревшей корочки и сырой середины.

К слабым сторонам чугунной кухонной утвари можно отнести:

• Большой вес – тяжелые сковороды создают сложности не только при готовке, но и при хранении.
• Хрупкость – изделия с высокой вероятностью разбиваются при падении.
• Непереносимость температурных контрастов – если налить в раскаленную сковородку холодную воду, она может треснуть.
• Склонность к образованию ржавчины – если оставить посуду мокрой, она поржавеет.

Чугунные сковороды удобны для приготовления, но в них нельзя хранить приготовленную пищу. Остатки нужно сразу переложить в другую емкость.

Применение ковкого чугуна

Нашли свое применение детали из ковкого чугуна и в электрической промышленности. Из него изготавливают:

1. Клеммы;
2. Крючья изоляторов;
3. Державки проводов.

Такие изделия прекрасно справляются с силовыми нагрузками, они могут изгибаться при механическом воздействии.

В текстильном машиностроении, ковкий чугун используется при изготовлении:

1. Шестерен;
2. Вилок
3. Спиц;
4. Деталей, для бумагопрядильных машин.

Иначе говоря, для деталей, испытывающих большие статические нагрузки, подвергающиеся трению и быстрому износу. Для таких изделий применяют антифрикционный ковкий чугун, способный создавать минимальное трение, там, где имеется максимальный контакт деталей.

Ковкий чугун используется и в сантехнических изделиях. Из него изготавливают:

1. Водопроводные отводы;
2. Фланцевые переходники;
3. Задвижки;
4. Радиаторы отопления.

Эти изделия могут работать длительное время в водной среде.

Газовые системы используют ковкий чугун для изготовления выпуска фитингов, соединяющих трубы, где имеют место всевозможные разветвления.

Самые разные марки ковкого чугуна нашли широкое применение в ландшафтном дизайне, когда происходит формирование декорирующих деталей:

1. Оригинальные изгороди;
2. Скамейки;
3. Ворота;

Применяется такой сплав и в мебельной промышленности, для элементов, на которые могут влиять атмосферные осадки:

1. Террасная мебель;
2. Беседки.

Из него изготавливаются детали для бытового оборудования:

1. Ванн;
2. Стиральных машин;
3. Газовых плит;
4. Сковородок;
5. Котелков.

Очень много деталей автомобилей сделаны из ковкого чугуна. К ним относятся:

1. Приводы;
2. Колесные ступицы
3. Шестерни;
4. Картеры;
5. Кронштейны двигателей;
6. Катки;
7. Тормозные колодки;
8. Накладки;
9. Балансиры
10. Карданные валы;
11. Коллекторы.

Не обходится и судостроение без ковкого чугуна. При изготовлении оборудования для кораблей, КЧ применяется для производства:

1. Иллюминаторов;
2. Мачтовых скоб;
3. Уключин;
4. Брештук;
5. Водяной арматуры.

Не забыт ковкий чугун и в железнодорожной промышленности. При строительстве вагонов из него изготавливают:

1. Запасные части к воздушным тормозам;
2. Подшипники;
3. Кронштейны
4. Тяговые и сцепные системы;
5. Скобы.

Уже много веков человечество использует чугун, сегодня практически каждый человек имеет дело с таким сплавом. Он отличается высокой прочностью и имеют относительно невысокую стоимость. Единственным недостатком чугунных деталей является их хрупкость. Но, при правильной технологии получения чугуна, этот недостаток минимизируется, поэтому чугунные детали так широко применяются в вышеописанных отраслях промышленности.

https://youtube.com/watch?v=QaZ8bCK4ipE

Особенности производства

Сплав железа и углерода, принимающего в структуре металла вид графитовых хлопьев, называется ковким чугуном. Его получают путём длительной термообработки заготовок из белого чугуна. Под действием отжига меняется структура металла, цементит в нём превращается в графит. Этот процесс называется графитизация. После термической обработки сплав меняет механические характеристики – уменьшаются прочность, твёрдость, материал становится пластичным.

Технология отжига включает 5 стадий:

1. Медленный нагрев заготовки в течение 20–25 часов до температуры 950–1000 ºС.
2. Первый этап графитизации. Выдержка при температуре 950–1000 ºС на протяжении 15–20 часов.
3. Медленное охлаждение до температуры 740–720 ºС, время операции 6–12 часов.
4. Второй этап графитизации – продолжительная выдержка заготовки при температуре 720 ºС или постепенное снижение температуры с 760 до 720 ºС. Длительность этой операции составляет около 30 часов.
5. Полное охлаждение детали.

Есть четыре способа отжига для придания чугунной отливке требуемых свойств. Различаются они стадией №4 (диапазон температур от 760–720 ºС). Остальные этапы отжига совпадают.

1. Быстрое охлаждение до температуры ниже критической – 720 ºС и выдержка при этой температуре 30 часов.
2. Медленное охлаждение на протяжении 30 часов, в критическом интервале температур от 760–720 ºС.
3. Ступенчатое охлаждение в интервале температур от 760 до 720 ºС.
4. Технология поочерёдного нагрева выше 760 ºС и охлаждения ниже 720 ºС.

Легирование белого чугуна

Наличие в составе сплава легирующих добавок сильно изменяет его физические свойства, которые значительно расширяют его область применения. В качестве легирующих элементов в металлургии используют очень распространенные вещества.

В том случае, если количество легирующих добавок примерно равно углеродному содержанию, чугун приобретает предельно возможную твердость.

Износостойкость, как физическая характеристика белого чугуна, рассматривается независимо от его твердости. Ее повышения достигают изменением структуры металла путем добавления карбидов и фосфидов в виде равномерно распределенных включений. Качество отливки деталей напрямую зависит от химического состава сплавов и количества легирующих элементов.

В зависимости от процентного содержания легирующих примесей белый чугун подразделяют на:

• низколегированный до 2,5%;
• среднелегированный до 10%;
• высоколегированный.

Уже готовые отливки из чугуна подвергаются дополнительной температурной обработке (отжигу), в результате которой снимаются внутренние напряжения металла и происходит стабилизация внешних размеров. Температура отжига белого легированного чугуна около 850°C.

Процесс нагрева и охлаждения происходит медленно для исключения образования внутренних трещин и других дефектов.

Легированные чугунные сплавы получили широкое применение в производстве:

• деталей промышленного оборудования и станков;
• узлов и деталей автомобилей, тракторов и сельскохозяйственной техники;
• подвижного железнодорожного состава; труб, насосов, котлов;
• бытовых и хозяйственных изделий.

Это обусловлено улучшенными качествами металлов по сравнению с обычным белым чугуном.