Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Машиностроительными чугунами , идущими на изготовление деталей, являются серый, высокопрочный и ковкий чугуны. Детали из них изготовляются литьем, так как чугуны имеют очень хорошие литейные свойства. Благодаря графитным включениям эти чугуны хорошо обрабатываются, имеют высокую износостойкость, гасят колебания и вибрации. Но графитные включения уменьшают прочность.  [2]

Реторты отливаются из обычного машиностроительного чугуна или стали. Несколько более устойчив низколегированный чугун, содержащий 0 3 — 0 6 % хрома и 0 2 — 0 4 % никеля.  [4]

Таким образом, структура машиностроительных чугунов состоит из металлической основы и графитных включений. Характер металлической основы влияет на механические свойства чугунов: прочность и твердость выше у перлитных, а пластичность — у ферритных.  [5]

В четвертом томе дана классификация и принципы выбора машиностроительного чугуна , приведены физико-механические, технологические и другие свойства серого, ковкого, износостойкого, антифрикционного, коррозионно-стойкого, жаростойкого чугуна, чугуна с шаровидным графитом, ро специальными физическими свойствами.  [6]

При образовании расплава в шве в момент изотермической выдержки происходит полное или частичное превращение перлита, как основной составляющей машиностроительных чугунов , в аустенит. В этом случае может происходить науглероживание аустенита.  [8]

Отделом сварки ЦНИЙТМАШ разработаны специальные электроды ЦЧ-4, предназначенные для сварки высокопрочных и обычных серых чугунов, обеспечивающие твердость наплавленного металла, приближающуюся к твердости обычного машиностроительного чугуна . Электроды изготовляются из проволоки Св-08 или Св — 08А по ГОСТ 2246 — 60 с нанесенным на них специальным покрытием, содержащим карбидообразующие элементы, обладающие большим сродством к углероду, чем железо.  [9]

Отделом сварки ЦНИИТМАШ разработаны специальные электроды ЦЧ-4, предназначенные для сварки высокопрочных и обычных серых чугунов, обеспечивающие твердость наплавленного металла, приближающуюся к твердости обычного машиностроительного чугуна . Электроды изготовляются из проволоки Св-08 или Св — 08А по ГОСТ 2246 — 60 с нанесенным на них специальным покрытием, содержащим карбидообразующие элементы, обладающие большим сродством к углероду, чем железо.  [10]

Одним из путей снижения веса машин является использование в конструкциях модифицированных и высокопрочных чугунов, имеющих значительно более высокие показатели механических свойств, чем обычные марки машиностроительных чугунов , а также применение для изготовления высоконапряженных деталей машин низколегированных сталей.  [11]

Отделом сварки ЦНИИТМАШ разработан специальный электрод марки ЦЧ-4, предназначенный для сварки высокопрочных и обычных серых чугунов, дающий в наплавленном металле легированный сплав по твердости, приближающейся к твердости обычного машиностроительного чугуна . Электроды изготовляют из проволоки Св-08 или Св — 08А ( ГОСТ 2246 — 60) и покрывают специальной обмазкой, содержащей нужное количество карбидообразующпх элементов, которые обладают большим сродством к углероду, чем железо. Получаемые карбиды не растворяются в железе и имеют малую твердость. Наплавленный металл хорошо обрабатывается нормальным режущим инструментом. В переходных зонах, особенно при сварке массивных деталей, встречаются отдельные твердые включения, которые могут быть обработаны твердосплавным инструментом.  [13]

Наплавленный металл, наиболее близкий по своему-составу к основному металлу, дают чугунные электроды. Однако обычный машиностроительный чугун в условиях охлаждения при сварке отбеливается, а наплавленный металл тверд, хрупок и имеет большое количество пор и мелких трещин.  [14]

Жидкотекучесть чугуна зависит в основном от его химического состава и температуры заливки в формы. Жидкотекучесть повышается с увеличением содержания углерода, а также кремния и фосфора. Ограниченное содержание фосфора в машиностроительных чугунах ( до 0 3 % Р) объясняется тем, что он увеличивает твердость и хрупкость сплава, ухудшает обрабатываемость резанием. Сера ( обычно до 0 12 %), находящаяся главным образом в виде сульфида железа FeS, ухудшает жидкотекучесть.  [15]

Виды чугунов, их применение и маркировка

Получение высокопрочного чугуна, его маркировка, применение

Для высокопрочных чугунов также используется система маркировки по механическим свойствам. В системе ASTM для таких чугунов указывают временное сопротивление в ksi – предел текучести в ksi – относительное удлинение в процентах. Например, ASTM A716 – 60–42–10 означает высокопрочный чугун по техническим условиям А716 с =60 ksi; =42 ksi; b=10 %.

В стандарте UNS маркировка чугунов начинается с буквы «F» и состоит из пятизначного номера. Маркировка серых чугунов начинается с «1», например, F11701 (аналог СЧ 15), ковких – с «2» – F23530, высокопрочных – с «3» – F33100.

По ASTM ковкие чугуны обозначают пятизначным числом, в котором первые три цифры – предел текучести в Н/мм2, две последние – относительное удлинение в процентах. Для того, чтобы указать на размерность (метрическую) в маркировке ставят букву «М», например чугун по ASTM A47 марки 480М3 означает, что =480 Н/мм2, b=3 %.

Маркировка чугуна с вермикулярным графитом не имеет аналогов в стандартах Украины и СНГ. По ASTM A842 марки такого чугуна 250; 300; ..450, где число – временное сопротивление в Н/мм2.

Износостойкие легированные чугуны стандартизированы техническими условиями ASTM A532. По техническим условиям такие чугуны делят на три класса по основному элементу и системе легирования. Класс I определяет износостойкие чугуны, легированные никелем – так называемые «нихарды» (от Ni–hard) и в него входят четыре типа чугунов, обозначаемые буквами A, B, C, D. Класс II – чугуны со средним содержанием хрома (от 12 до 20 %) и тоже делится на типы (A, B, C). Класс III – чугун с содержание хрома 25 % (тип А).

По стандарту Японии JIS маркировка чугунов начинается с буквы «F», далее идет буква или сочетание букв, показывающие тип чугуна («C» – серый чугун, «CM» – ковкий, «CD» – высокопрочный) и три цифры, показывающие временное сопротивление чугуна в Н/мм2. Например, FCD 400 соответствует марке ВЧ 40.

В табл. 4.6 приведены сравнительные примеры маркировки основных типов чугунов по различным стандартам.

Особенности термообработки чугунов.

В машиностроении применяют отливки из серого, я ковкого и высокопрочного чугунов. Эти чугуны отличаются от белого чугуна тем, что у них весь углерод или большая часть его находится в свободном состоянии в виде графита (у белого чугуна весь углерод находится в виде цементита).

Структура указанных чугунов состоит из металлической основы аналогично стали (перлит и феррит) и неметаллических включений – графита.

Серый, ковкий и высокопрочный чугуны отличаются друг от друга в основном формой графитовых включений. Это и определяет различие механических свойств указанных чугунов.

У серого чугуна при рассмотрении под микроскопом графит имеет форму пластинок.

Графит обладает низкими механическими свойствами. Он нарушает сплошность металлической основы и действует как надрез или мелкая трещина. Чем крупнее и прямолинейнее формы графитовых включений, тем хуже механические свойства серого чугуна.

Основное отличие высокопрочного чугуна заключается в том, что графит в нем имеет шаровидную (округленную) форму. Такая форма графита лучше пластинчатой, так как при этом значительно меньше нарушается сплошность металлической основы.

Ковкий чугун получают длительным отжигом отливок из белого чугуна, в результате которого образуется графит хлопьевидной формы – углерод отжига.

Механические свойства рассматриваемых чугунов можно улучшить термической обработкой, при этом необходимо помнить, что в чугунах создаются значительные внутренние напряжения, поэтому нагревать чугунные отливки при термической обработке следует медленно, чтобы избежать образования трещин.

Отливки из чугуна подвергают следующим видам термической обработки.

Низкотемпературный отжиг. Чтобы снять внутренние напряжения и стабилизировать размеры чугунных отливок из серого чугуна, применяют естественное старение или низкотемпературный отжиг.

Более старым способом является естественное старение, при котором отливка после полного охлаждения претерпевает длительное вылеживание – от 3–5 месяцев до нескольких лет. Естественное старение применяют в том случае, когда нет нужного оборудования для отжига.

Этот способ в настоящее время почти не применяют, а производят главным образом низкотемпературный отжиг. Для этого отливки после полного затвердевания укладывают в холодную печь (или печь с температурой 100–200° С) и медленно (со скоростью 75–100° в час) нагревают до 500–550° С. При этой температуре их выдерживают 2–5 час. и охлаждают до 200° С со скоростью 30–50° в час, а затем – на воздухе.

Графитизирующий отжиг. При отливке изделий возможен частичный отбел серого чугуна с поверхности или даже по всему сечению. Чтобы устранить отбел и улучшить обрабатываемость чугуна, производится высокотемпературный Графитизирующий отжиг с выдержкой при температуре 900–950° С в течение 1–4 час. и охлаждением изделий до 250–300° С вместе с печью, а затем – на воздухе. При таком отжиге в отбеленных участках цементит Fe3С распадается на феррит и графит, вследствие чего белый или половинчатый чугун переходит в серый.

Нормализация. Нормализации подвергают отливки простой формы и небольших сечений. Нормализация проводится при температуре 850–900° С с выдержкой 1–3 часа и последующим охлаждением отливок на воздухе. При таком нагреве часть углерода (графита) растворяется в аустените. После охлаждения на воздухе металлическая основа получает структуру трооститовидного перлита с более высокой твердостью и лучшей сопротивляемостью износу. Для серого чугуна нормализацию применяют сравнительно редко, более широко применяют закалку с отпуском.

Закалка деталей из серого чугуна. Повысить прочностные свойства серого чугуна можно его закалкой. Она производится с нагревом до 850–900° С и охлаждением в воде. Закалке можно подвергать как перлитные, так и ферритные чугуны. Твердость чугуна после закалки достигает НВ 450–500. В структуре закаленного чугуна имеются мартенсит со значительным количеством остаточного аустенита и выделения графита.

сульфидирование чугуна; так, например, сульфидированные поршневые кольца быстро прирабатываются, хорошо сопротивляются истиранию, и срок их службы повышается в несколько раз.

Отпуск.Чтобы снять закалочные напряжения, после закалки производят отпуск. Детали, предназначенные для работы на истирание, проходят низкий отпуск при температуре 200–250° С. Чугунные отливки, не работающие на истирание, подвергаются высокому отпуску, при температуре 500–600° С. При отпуске закаленных чугунов твердость понижается значительно меньше, чем при отпуске стали. Это объясняется тем, что в структуре закаленного чугуна имеется большое количество остаточного аустенита, а также тем, что в нем содержится большое количество кремния, который повышает отпускоустойчивость мартенсита.

Для отжига на ковкий чугун применяют белый чугун примерно следующего химического состава: 2,5–3,2% С, 0,6–0,9% Si, 0,3–0,4% Мn, 0,1–0,2% Р и 0,06-0,1% S.

Существует 2 способа отжига на ковкий чугун:

графитизирующий отжиг в нейтральной среде, основанный на разложении цементита на феррит и углерод отжига;

обезуглероживающий отжиг в окислительной среде, основанный на выжигании углерода.

Отжиг на ковкий чугун по второму способу занимает 5–6 суток, поэтому в настоящее время ковкий чугун получают главным образом графитизацией. Отливки, очищенные от песка и литников, упаковывают в металлические ящики либо укладывают на поддоне, а затем подвергают отжигу в методических камерных и других отжигательных печах.

Процесс отжига состоит из двух стадий графитизации.

При таком ступенчатом отжиге в области температур 950–1000° С идет распад (графитизация) первичного, т. е. эвтектического (ледебуритного) цементита, а при температуре 750—720° С распадаются вторичный и эвтектоидный (перлитный) цементиты. В результате отжига по такому режиму структура ковкого чугуна представляет собой зерна феррита с включениями гнезд углерода отжига – графита.

Перлитный ковкий чугун получается в результате неполного отжига: после первой стадии графитизации при температуре 950–1000° С чугун охлаждается вместе с печью; вторая стадия графитизации не проводится. Структура перлитного ковкого чугуна состоит из перлита и углерода отжига.

Чтобы повысить вязкость, перлитный ковкий чугун подвергают сфероидизации при температуре 700–750° С, что создает структуру зернистого перлита.

Для ускорения процесса отжига на ковкий чугун изделия из белого чугуна подвергают закалке, затем проводят графитизацию при температуре 1000–1100° С.

Ускорение графитизации закаленных чугунов при отжиге объясняется наличием большого количества центров графитизации, образовавшихся при закалке. Это дает возможность сократить время отжига закаленных отливок до 15–7 час.

Применение чугунов

Хорошие технологические, механические и служебные свойства чугунов обусловливают их широкое применение в машиностроении в качестве основных литейных материалов. Вместе с тем следует отметить, что по прочности чугуны в целом уступают сталям, и это предопределяет область их применения, — мало — и умеренно нагруженные детали.

На прочность чугунов влияют форма графита и структура металлической основы. При одинаковой форме графита прочность ферритных чугунов ниже, чем у перлитных. При одинаковой структуре матрицы прочность чугунов возрастает с изменением формы графита от пластинчатой к шаровидной.

Серые чугуны отличаются невысокой прочностью, что объясняется отрицательным влиянием пластинчатого графита. Графитовые включения, прочность которых ничтожно мала, являются, в сущности, трещинами в металлической основе чугуна, что резко ослабляет ее. Это обусловливает пониженную несущую способность серых чугунов при растяжении (σ_в=150…350МПа) и низкую эксплуатационную надежность из-за высокой хрупкости ( δ до 0,5%). Кроме того, следует отметить более низкий по сравнению со сталью модуль упругости Е серых чугунов: у серого перлитного чугуна значение Е=135ГПа, а у стали Е=214ГПа.

При изгибающих и сжимающих нагрузках отрицательное влияние пластинчатого графита проявляется значительно слабее. Преобладающее влияние при этих видах нагружения оказывает структура металлической основы чугуна. С увеличением количества перлита в структуре основы несущая способность серых чугунов возрастает в 2-4 раза. Поэтому серые чугуны целесообразно использовать для деталей, работающих в условиях изгибающих или сжимающих нагрузок. Но в реальных условиях эксплуатации исключить воздействие растягивающих нагрузок не представляется возможным. Поэтому критерием несущей способности серых чугунов остается σ_в – предел прочности при статическом растяжении. Этот показатель указывают в марке чугуна (СЧ15,СЧ35); он характеризует несущую способность отливок с толщиной стенки до 15мм. С увеличением толщины стенки от 15 до 150мм несущая способность этих чугунов при растяжении снижается в два раза. Серые ферритные чугуны применяют для малонагруженных, а серые перлитные – для умеренно нагруженных деталей, не испытывающих при эксплуатации значительных ударных нагрузок. Хорошие вибропоглощающие свойства серых чугунов ( в 2-4 раза выше, чем у стали) и износостойкость обусловливают их широкое применение в станкостроении идвигателестроении.

Чугуны с вермикулярным графитом (ЧВГ) по своим литейным свойствам не уступают серым чугунам, а по конструкционной прочности их превосходят. Это объясняется тем, что надрезывающее влияние вермикулярного графита существенно меньше по сравнению с пластинчатым. Поэтому несущая способность, эксплуатационная надежность и долговечность ЧВГ в целом выше, чем у серых чугунов. Эти чугуны отличаются также хорошей теплопроводностью, что обеспечивает их термостойкость – способность противостоять разрушению в условиях циклического теплового воздействия. Чугуны с вермикулярным графитом применяют вместо серого чугуна для изготовления крупных отливок сложной конфигурации, а также для деталей, работающих в условиях циклических силовых и тепловых нагрузок.

Хорошие литейные свойства исходного белого чугуна позволяют получать тонкостенные отливки сложной формы, которые затем подвергают длительному, до трех суток отжигу для получения структуры ковкого чугуна с хлопьевидным графитом. Отсутствие литейных напряжений, полностью снимающихся во время отжига, компактность и изолированность хлопьевидных графитовых включений обеспечивают повышенную прочность ковких чугунов. По своей несущей способности и эксплуатационной надежности эти чугуны в целом превосходят серые чугуны и ЧВГ и приближаются к высокопрочным чугунам. Из ковких перлитных чугунов изготавливают умеренно нагруженные детали, работающие в условиях изнашивания и циклических нагрузок. Ковкие ферритные чугуны применяют для малонагруженных деталей, а также для деталей автомобильного и тракторного электрооборудования, которые должны обладать малой остаточной индукцией.

Чугуны с шаровидным графитом (высокопрочные) не уступают по прочности литым углеродистым сталям, а по литейным свойствам, обрабатываемости резанием и вибропоглощающей способности их превосходят. Высокая прочность этих чугунов во многом определяется шаровидной формой графита, которая значительно меньше ослабляет металлическую основу по сравнению с пластинчатым графитом. В отличие от пластинчатых включений шаровидный графит не является активным концентратором напряжений. Поэтому высокопрочный чугун в ряде случаев применяют вместо литой стали и стального проката, серого и ковкого чугунов. Его применяют для деталей, работающих в условиях циклических нагрузок и изнашивания. Примеры применения некоторых марок чугунов приведены в таблице 3.

Примеры применения некоторых марок чугунов

Для деталей, работающих в сложных условиях, применяют легированные чугуны со специальными свойствами: жаростойкие, износостойкие, коррозионно-стойкие, жаропрочные. Это низколегированные и высоколегированные хромистые чугуны (ЧХ1,ЧХ32), кремнистые (ЧС5,ЧС17), алюминиевые (ЧЮХШ,ЧЮ30) и никелевые (ЧНХТ,ЧН20Д2Ш). Преимущественная область применения этих чугунов – высоконагруженные карбюраторные и дизельные ДВС. Для повышения работоспособности чугунные детали подвергают различным видам термической обработки.

Контрольные вопросы.

1. Назовите основные группы конструкционных материалов, применяемых в машиностроении. Что называют сплавами? Какие факторы влияют на их свойства?

2. Дайте определение прочности и пластичности сплавов. Какая зависимость между этими показателями? Что характеризует показатель ,%, а что — Какой из этих показателей оказывает влияние на массу детали, если учесть, что чем выше прочность сплава, тем меньшим может быть сечение детали?

3. Два сплава имеют равные значения , но различные значения . Какому из них следует отдать предпочтение при изготовлении деталей, работающих в условиях динамических нагрузок, при которых опасность хрупкого разрушения возрастает?

4. Что характеризуют показатели KCU, KCV? В какой зависимости находятся эти показатели с показателем пластичности и показателемпрочности Какой из сплавов будет иметь большие значения KCU: малоуглеродистая сталь или серый чугун? Объясните ваш выбор.

5. Назовите наиболее вероятную причину разрушения детали, работающей в условиях циклических изгибающих нагрузок.Что характеризует показатель прочности Что называют контактной выносливостью и какой показатель ее характеризует?

6. Что называют твердостью? Назовите основные методы замеров твердости, чем они отличаются? Каким методом следует определять твердость неупрочненных сплавов, а каким – упрочненных? Кратко опишите методику измерений твердости в указанных случаях.

7. Дайте схематические изображения наиболее распространенных типов кристаллических решеток. Что называют периодом решетки? Что характеризует координационное числоК? Что называют полиморфизмом? Как меняется кристаллическая структура железа в интервале температур 0 — 1539°С?

8. Назовите основные типы дефектов кристаллического строения металлов. Какой внешний фактор влияет на количество точечных дефектов? Что представляют собойдислокации и когда они образуются? Как влияет плотность дислокаций на прочность сплавов?

9. Что называют фазой и фазовым превращением? Приведите примеры фазовых превращений в металлических сплавах. Объясните влияние температуры на изменение термодинамического потенциала и на характер фазового превращения. Что называют степенью переохлаждения? Какая зависимость между этим параметром и скоростью охлаждения?

10. Как влияет степень переохлаждения на параметры кристаллизации: число центров кристаллизации (Ч.Ц.К.) и скорость роста кристаллов (С.Р.К.)? При каких условиях образуется крупнокристаллическая, а при каких – мелкокристаллическая структура? Что называют модифицированием, и как модифицирование влияет на величину кристаллов (зерен), и на механические свойства?

11. Назовите основные типы фаз и структурных составляющих в металлических сплавах. Что является условием образования механических смесей? Что называют твердыми растворами? Чем отличается твердый раствор внедрения от твердого раствора замещения? Приведите примеры основных типов химических соединений в структуре сталей.

12. Нарисуйте диаграмму состояния Fe-C со всеми обозначениями. Укажите на оси концентраций (%С) область сталей и область чугунов. Как классифицируются эти сплавы в зависимости от содержания в них углерода? Для стали, содержащей 0,5%С, укажите температурные интервалы первичной и вторичной кристаллизации. Что происходит при указанных превращениях в структуре этой стали?

13. По диаграмме Fe-C приведите примеры и дайте характеристику основных типов фаз и структурных составляющих. Какая структура характерна для эвтектоидных сталей при комнатной температуре? Как изменяется структура и механические свойства сталей с увеличением содержания углерода? Какие стали относятся к конструкционным, а какие – к инструментальным?

14. Используя диаграмму Fe-C, укажите какую структуру имеют стали после первичной кристаллизации. Какие превращения происходят при вторичной кристаллизации сталей, и чем она завершается? Укажите на диаграмме температурные интервалы первичной и вторичной кристаллизации чугуна, содержащего 3%. Как изменяется структура чугуна в результате этих процессов?

15. Чем отличается эвтектическое превращение от эвтектоидного? Укажите фазовый состав перлита и ледебурита при комнатной температуре. Используя правило концентраций, определите, как изменяется химический состав фаз при первичной кристаллизации стали 50?

16. Как влияет увеличение содержания углерода на структуру и свойства сталей? У какой из сталей больше прочность, а у какой больше пластичность (сталь 20 и сталь 60)? Какая из этих сталей лучше обрабатывается методом холодной штамповки и почему? Почему сера и фосфор считаются в сталях вредными примесями? Как различают стали по качеству?

17. Как влияет увеличение содержания углерода и кремния на структуру чугунов? Как получают высокопрочный чугун? Какое максимальное сечение имеют отливки из белого чугуна, подвергаемые отжигу на ковкий чугун, и зачем это ограничение? Какой из чугунов прочнее: серый ферритный или серый перлитный, ВЧ80 или ВЧ35 и почему?

Литература.

1. Г.М. Волков, В.М. Зуев. «Материаловедение». Учебник для ВТУзов. М. «Академия». 2008 г.

2. Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин, Н.М. Рыжов, В.И. Силаева. «Материаловедение». Учебник для ВУЗов. М., изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2002г.

3. М.Л. Бернштейн, В.А. Займовский. «Механические свойства металлов». Учебник для ВУЗов М. «Металлургия». 1979г.

4. А.М. Адаскин, В.М. Зуев. «Материаловедение и технология материалов». Учебное пособие. М. «Форум». 2010г.

studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2021 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.004 с) .

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.