Что такое чугун? Свойства, состав, получение и применение. Чугун

Сплавы железа с углеродом, в которых содержание углерода более 1,7% называются чугунами.

Чугуны различаются по структуре, способам изготовления, химическому составу и назначению.
По структуре чугуны бывают серые, белые и ковкие. По способам изготовления-обыкновенные и модифицированные.
По химическому составу чугуны различают не легированные и легированные, т. е. такие, в составе которых имеются специальные примеси.

Серый чугун

Серый чугун наиболее широко применяется в машиностроении для отливок из него различных деталей машин. Он характеризуется тем, что углерод в нём находится в свободном состоянии в виде графита. Поэтому серый чугун хорошо обрабатывается режущими инструментами. В изломе он имеет серый и темно-серый цвет. Получается серый чугун путём медленного охлаждения после плавления или нагревания. Получению серого чугуна также способствует увеличение в его составе содержания углерода и кремния.
Механические качества серого чугуна зависят от его структуры.
По структуре серый чугун бывает:
  1. феррито-графнтовый,
  2. феррито-дерлито-графитовый и
  3. перлито-графитовый.

Если серый чугун быстро охлаждать после плавления, то он отбеливается, т. е. становится очень хрупким и твердым. Серый чугун в несколько раз лучше работает на сжатие чем на растяжение.

Серый чугун достаточно хорошо сваривается с применением предварительного подогрева и в качестве присадочного мате риала специальных чугунных стержней с повышенным содержанием углерода и кремния. Сварка без предварительного подогрев затруднена вследствие отбеливания чугуна в зонах шва.

Белый чугун

Белый чугун применяется в машиностроении в значительна меньших количествах, чем серый. Он представляет собой сплав железа с углеродом, в котором углерод находится в виде химического соединения с железом. Белый чугун очень хрупкий и твёрдый. Он не поддаётся механической обработке режущими инструментами и применяется для отливки деталей, не требующих обработки, или подвергается шлифованию абразивными кругами. В машиностроении применяется белый чугун как обыкновенный, так и легированный.

Сварка белого чугуна весьма затруднительна в связи с образованием трещин при нагреве и охлаждении, а также из-за неоднородности структуры, образующейся в месте сварки.

Ковкий чугун

Ковкий чугун обычно получают из отливок белого чугуна путем длительного томления их в печах при температуре 800-950°С, Существуют два способа получения ковкого чугуна: американский и европейский.

При американском способе томление производится в песке при температуре 800-850°С. При этом углерод из химически связанного состояния переходит в свободное состояние в виде графита, располагаясь между зёрнами чистого железа. Чугун приобретает вязкость, почему и называется ковким.

При европейском способе томление отливок производится в железной руде при температуре 850-950°. При этом углерод из химически связанного состояния с поверхности отливок переходит в железную руду и таким путём поверхность отливок обезуглероживается и становится мягкой, почему и чугун называется ковким, хотя сердцевина остается хрупкой.

В обозначениях марок ковкого чугуна после букв пишется число, показывающее среднюю величину предела прочности при разрыве в кг/мм2, а затем число, показывающее удлинение в %.

Например КЧ37-12 обозначает ковкий чугун, с пределом прочности, равным 37 кг/мм2, и удлинением 12%.
Сварка ковкого чугуна сопряжена с затруднениями в связи с отбеливанием чугуна в зоне шва.

Модифицированный чугун

Модифицированный чугун отличается от обычного серого чугуна тем, что в нем большее количество углерода находится в виде графита, чем в сером чугуне.

Модифицирование заключается в том, что при плавлении чугуна в жидкий металл добавляется некоторое количество присадок, способствующих выделению углерода в виде графита при затвердевании и охлаждении. Этот процесс модификации при одинаковом химическом составе чугуна значительно повышает механические свойства чугуна и является весьма важным. Обозначение марок модифицированного чугуна подобно обозначению марок серого чугуна.

Чугун вошел в нашу жизнь много столетий тому назад и остается популярным и по сей день . Он нашел широкое применение во многих областях. Однако чтобы разобраться, что такое чугун, важно знать его свойства и химический состав, структуру и особенности его сплавов, достоинства и недостатки этого материала, а также его производство и сферы применения.

Химический состав чугуна

Чугун - это сплав железа и углерода, в котором процентное содержание углерода составляет не менее 2,14%, но не более 4,5%. Углерод входит в состав чугуна в форме цементита либо графита. Если процент содержания углерода составляет меньше 2,14%, такой сплав именуется сталью.

Известно, что чугунный сплав впервые был произведен в Китае в VI веке. В Европу секрет его производства пришел в XIV веке, а в России его состав был доведен до совершенства лишь в XVII. За все это долгое время формула чугуна не изменилась.

Самый качественный материал производился на литейном заводе братьев Демидовых, расположенном на Урале.

По прошествии веков он не только не утратил своей актуальности, но и приобрел еще более обширный спектр применения.

Существуют такие виды чугуна, как предельный и литейный . Первый используют при производстве стали по кислородно-конвертерному пути. Кремний и марганец в таком сплаве содержится в очень малом количестве. Литейный вид материала более широко используется в промышленности и производстве. Он, в свою очередь, подразделяется на следующие виды:

  • Белый чугун - в нем углерод представляет собой карбид железа. При этом на его разломе видно белый отлив, откуда и пошло его название. В чистом виде он не используется. Применяется в процессе производства ковкого чугуна.
  • Для серого чугуна характерен серебристый отлив на изломе. Он имеет широкую сферу применения и отлично обрабатывается при помощи резцов.
  • Высокопрочный сплав используется для повышения прочностных характеристик изготавливаемого материала. Его получают из серого чугуна путем добавления к его массе примеси магния.
  • Ковкий чугун также является одной из разновидностей серого чугуна. Его название говорит о том, что он обладает повышенной пластичностью, а получают его из белого чугуна при помощи отжига.
  • Половинчатый - обладает специальными свойствами. Часть углерода в его составе находится в виде графита, остальная часть - в виде цементита.

Особенности сплава

Главная особенность чугуна скрыта в процессе его изготовления. Дело в том, что у разных видов этого сплава температура плавления достигает 1200ºС, в то время как у стали она составляет 1500 ºС. На этот фактор влияет слишком высокое содержание углерода. Атомы железа и углерода между собой имеют не очень тесные связи.

Когда происходит выплавка, атомы углерода не могут целиком внедриться в молекулярную решетку железа, из-за чего чугунный сплав приобретает хрупкость. В связи с этим его не используют в производстве деталей, которые будут постоянно подвергаться нагрузке.

Этот материал относится к отрасли черной металлургии и по своим характеристикам схож со сталью. Изделия из чугуна и стали нашли широкое применение в повседневной жизни, и оно является целиком оправданным.

Если сравнивать характеристики этих металлов, можно сделать следующие заключения:

  1. Стоимость стальных изделий выше стоимости чугунных.
  2. Различия в цвете: чугун темный и матовый, а сталь - светлая и блестящая.
  3. Сталь хуже поддается литью, но, в отличие от чугуна, легче поддается ковке и сварке.
  4. Сталь обладает большей прочностью, нежели чугунный сплав.
  5. Сталь тяжелее по весу.
  6. В ней содержание углерода ниже, чем в чугуне.

Достоинства и недостатки

Этот материал, как и любой другой, имеет свои сильные и слабые стороны.

К достоинствам чугуна относятся такие факторы:

  • Иногда его даже сравнивают по характеристикам со сталью, ведь определенные его виды отличаются повышенной прочностью.
  • Длительное время сохраняет температуру: при нагревании тепло по нему распределяется равномерно и долгое время остается неизменным.
  • Является экологически чистым материалом, благодаря чему нередко используется при изготовлении посуды, в которой непосредственно будет готовиться пища.
  • Не реагирует на кислотно-щелочную среду.
  • Является долговечным материалом.
  • Чем дольше используется изделие из этого материала, тем лучше становится его качество.
  • Этот материал является абсолютно безвредным для организма человека.

К недостаткам можно отнести следующие факторы:

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:

Состав и структура металла

Чугун в качестве структурного материала представлен металлической полостью с графитными включениями. Основными его компонентами выступают перлит, ледебурит и пластичный графит. Интересно, что в различных видах сплавов эти элементы присутствуют в неодинаковых пропорциях либо могут совсем отсутствовать.

По своей структуре чугунный сплав разделяется на следующие разновидности:

  • Перлитный.
  • Ферритный.
  • Ферритно-перлитный.

При этом графит может присутствовать в нем в одной из таких форм:

Производственные технологии

Как известно, чугун производится в специальных доменных печах. Основным сырьем для его получения служит железная руда. Технологический процесс изготовления состоит в восстановлении оксидов железной руды и получении в результате этого иного материала - чугуна. Для его изготовления используются такие виды топлива, как кокс, термоантрацит, природный газ.

Для производства одной тонны чугуна требуется около 550 килограмм кокса и приблизительно тонна воды. Объемы загружаемой в печь руды будут зависеть от содержания в ней железа. Как правило используют руду, в составе которой содержится железа не менее 70%. Все дело в том, что экономически нецелесообразно использовать меньшую его концентрацию.

Первым этапом производства чугуна является его выплавка. В доменную печь засыпается руда, а затем - коксующийся уголь, который необходим для нагнетания и поддержания требуемой температуры внутри шахты печи. Эти составляющие во время горения принимают активное участие в протекающих химических реакциях в качестве восстановителей железа.

Тем временем в печь погружается флюс, который выступает в роли катализатора. Ускоряя плавку пород, он тем самым поддерживает скорейшее высвобождение железа. Немаловажно знать, что перед загрузкой в печь руда проходит необходимую предварительную обработку. Она измельчается на дробильной установке, поскольку более мелкие частицы плавятся быстрее. Затем ее промывают, чтобы удалить частицы, не содержащие металл. Далее сырье подвергается обжигу, вследствие чего из него извлекается сера и другие инородные компоненты.

На втором этапе производства в заполненную и готовую к эксплуатации печь подается через специальные горелки природный газ. Кокс участвует в разогреве сырья. Происходит выделение углерода, который, соединяясь с кислородом, образует оксид. Он, в свою очередь, способствует восстановлению железа из руды.

При увеличении объема газа в печи снижается скорость протекания химической реакции. Она может и совсем остановиться при достижении определённого соотношения газа. Углерод проникает в сплав и соединяется с железом, при этом образуя чугун. Нерасплавленные элементы остаются на поверхности и вскоре удаляются. Такие отходы называются шлаком. Его используют для изготовления других материалов.

Сфера использования

Этот металл используется в различных отраслях промышленности. Например, он широко применяется в машиностроении для производства различных деталей.

Чаще всего этот материал используется в производстве блоков для двигателей и коленчатых валов. Для изготовления последних необходим усовершенствованный сплав с добавлением специальных примесей из графита. Этот металл устойчив к трению, поэтому из него производят тормозные колодки высокого качества.

В жестких климатических условиях чугунный сплав незаменим, так как он позволяет изготовленным из него деталям машин работать бесперебойно даже при самых низких температурах.

В металлургической промышленности он себя также отлично зарекомендовал. Высоко ценятся его превосходные литейные свойства и относительно невысокая цена. Изделия из него отличаются очень высокой прочностью и износостойкостью.

Из чугунного сплава делается великое множество сантехнических изделий. Это батареи, раковины, разнообразные мойки и трубы. Широкой популярностью пользуются чугунные ванны и радиаторы отопления. Срок их службы весьма длительный. Во многих квартирах по сей день используются данные изделия, потому как они долго сохраняют свой первозданный вид и редко нуждаются в реставрации.

Немаловажен и тот факт, что превосходные литейные свойства чугуна позволяют изготавливать из него целые произведения искусства: такие как ажурные кованые ворота и всевозможные памятники архитектуры.

Примечательно, что цена за 1 килограмм чугуна обусловлена количеством находящегося в его составе углерода, а еще наличием разнообразных примесей и легирующих компонентов. Цена тонны чугуна составляет около 8000 рублей.

На сегодняшний день не существует ни одной сферы, где бы ни использовался этот металл. Его литье и сплавы выступают основой многих узлов, механизмов и деталей. Иногда он используется в качестве самостоятельного изделия, прекрасно справляясь с возложенными на него функциями. Это железосодержащее соединение является уникальным в своем роде. Оно остается незаменимым и поныне.

(польск. stal, от нем. Stahl) - деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (и другими элементами), характеризующийся эвтектоидным превращением. Содержание углерода в стали не более 2,14 %, но не менее 0,022 %. Углерод придаёт сплавам железа прочность и твёрдость, снижая пластичность и вязкость.

Учитывая, что в сталь могут быть добавлены легирующие элементы, сталью называется содержащий не менее 45 % железа сплав железа с углеродом и легирующими элементами (легированная, высоколегированная сталь).

В древнерусских письменных источниках сталь именовалась специальными терминами: "Оцел", "Харолуг" и "Уклад". В некоторых славянских языках и сегодня сталь называется "Оцел", например в чешском.

Сталь - важнейший конструкционный материал для машиностроения, транспорта, строительства и прочих отраслей народного хозяйства.

Стали с высокими упругими свойствами находят широкое применение в машино- и приборостроении. В машиностроении их используют для изготовления рессор, амортизаторов, силовых пружин различного назначения, в приборостроении - для многочисленных упругих элементов: мембран, пружин, пластин реле, сильфонов, растяжек, подвесок.

Пружины, рессоры машин и упругие элементы приборов характеризуются многообразием[источник не указан 122 дня] форм, размеров, различными условиями работы. Особенность их работы состоит в том, что при больших статических, циклических или ударных нагрузках в них не допускается остаточная деформация. В связи с этим все пружинные сплавы кроме механических свойств, характерных для всех конструкционных материалов (прочности, пластичности, вязкости, выносливости), должны обладать высоким сопротивлением малым пластическим деформациям. В условиях кратковременного статического нагружения сопротивление малым пластическим деформациям характеризуется пределом упругости, при длительном статическом или циклическом нагружении - релаксационной стойкостью

Классификация

Стали делятся на конструкционные и инструментальные. Разновидностью инструментальной является быстрорежущая сталь.

По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные; в том числе по содержанию углерода - на низкоуглеродистые(до 0,25 % С), среднеуглеродистые(0,3-0,55 % С) и высокоуглеродистые(0,6-0,85 % С); легированные стали по содержанию легирующих элементов делятся на низколегированные, среднелегированные и высоколегированные.

Стали, в зависимости от способа их получения, содержат разное количество неметаллических включений. Содержание примесей лежит в основе классификации сталей по качеству: обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные.

По структуре сталь различается на аустенитную, ферритную, мартенситную, бейнитную или перлитную. Если в структуре преобладают две и более фаз, то сталь разделяют на двухфазную и многофазную.

Характеристики стали

Плотность - 7700-7900 кг/м³.

Удельный вес - 75537-77499 н/м³ (7700-7900 кгс/м³ в системе МКГСС).

Удельная теплоемкость при 20 °C - 462 Дж/(кг·°C) (110 кал/(кг·°C)).

Температура плавления - 1450-1520 °C.

Удельная теплота плавления - 84 кДж/кг (20 ккал/кг).

Коэффициент теплопроводности - 39 ккал/(м·час·°C) (45,5 Вт/(м·К)).[источник не указан 136 дней]

Коэффициент линейного теплового расширения при температуре около 20 °C:

сталь Ст3 (марка 20) - (1/град);

сталь нержавеющая - (1/град).

Предел прочности стали при растяжении:

сталь для конструкций - 38-42 (кГ/мм²);

сталь кремнехромомарганцовистая - 155 (кГ/мм²);

сталь машиностроительная (углеродистая) - 32-80 (кГ/мм²);

сталь рельсовая - 70-80 (кГ/мм²);

Сплав железа с углеродом (содержанием обычно более 2,14 %), характеризующийся эвтектичесим превращением. Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита и графита. В зависимости от формы графита и количества цементита, выделяют: белый, серый, ковкий и высокопрочные чугуны. Чугуны содержат постоянные примеси (Si, Mn, S, P), а в некоторых случаях также легирующие элементы (Cr, Ni, V, Al и др.). Как правило, чугун хрупок. Мировое производство чугуна в 2007 составило 953 млн тонн (в том числе в Китае - 477 млн тонн).

Виды чугунa

Белый чугун

В белом чугуне весь углерод находится в виде цементита. Структура такого чугуна - перлит, ледебурит и цементит. Такое название этот чугун получил из-за светлого цвета излома.

Серый чугун

Серый чугун - это сплав железа, кремния (от 1,2- 3,5 %) и углерода, содержащий также постоянные примеси Mn, P, S. В структуре таких чугунов большая часть или весь углерод находится в виде графита пластинчатой формы. Излом такого чугуна из-за наличия графита имеет серый цвет.

Ковкий чугун

Ковкий чугун получают длительным отжигом белого чугуна, в результате которого образуется графит хлопьевидной формы. Металлическая основа такого чугуна: феррит и реже перлит.

Высокопрочный чугун

Высокопрочный чугун имеет в своей структуре шаровидный графит, который образуется в процессе кристаллизации. Шаровидный графит ослабляет металлическую основу не так сильно как пластинчатый, и не является концентратором напряжений.

Половинчатый чугун

В половинчатом чугуне часть углерода (более 0,8 %) содержится в виде цементита. Структурные составляющие такого чугуна - перлит, ледебурит и пластинчатый графит.

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 - 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 удлиненние(%);

чугун легированный со специальными свойствами - Ч.

3.До́менная печь,

до́мна - большая металлургическая, вертикально расположенная печь шахтного типа для выплавки чугуна, ферросплавов из железорудного сырья. Первые доменные печи появились в Европе в середине XIV века, в России - около 1630 г.

Описание

Доменная печь представляет собой сооружение высотой до 35 м, высота ограничивается прочностью кокса, на котором держится весь столб шихтовых материалов. Загрузка шихты осуществляется сверху, через типовое загрузочное устройство, которое одновременно является и газовым затвором доменной печи. В домне восстанавливают богатую железную руду (на современном этапе запасы богатой железной руды сохранились лишь в Австралии и Бразилии), агломерат или окатыши. Иногда в качестве рудного сырья используют брикеты.

Доменная печь состоит из пяти конструктивных элементов: верхней цилиндрической части - колошника, необходимого для загрузки и эффективного распределения шихты в печи; самой большой по высоте расширяющейся конической части - шахты, в которой происходят процессы нагрева материалов и восстановления железа из оксидов; самой широкой цилиндрической части - распара, в котором происходят процессы размягчения и плавления восстановленного железа; суживающейся конической части - заплечиков, где образуется восстановительный газ - монооксид углерода; цилиндрической части - горна, служащего для накопления жидких продуктов доменного процесса - чугуна и шлака.

В верхней части горна располагаются фурмы - отверстия для подачи нагретого до высокой температуры дутья - сжатого воздуха, обогащенного кислородом и углеводородным топливом.

На уровне фурм развивается температура около 2000 °C. По мере удаления вверх температура снижается, и у колошников доходит около 270 °C. Таким образом в печи на разной высоте устанавливается разная температура, благодаря чему протекают различные химические процессы перехода руды в металл.

Процессы, протекающие в печи

В верхней части горна, где приток кислорода достаточно велик, кокс сгорает, образуя диоксид углерода и выделяя большое количества тепла.

C + O 2 = CO 2 + Q

Диоксид углерода, покидая зону, обогащенную кислородом, вступает в реакцию с коксом и образует монооксид углерода - главный восстановитель доменного процесса.

Поднимаясь вверх монооксид углерода взаимодействует с оксидами железа, отнимая у них кислород и восстанавливая до металла:

Fe 2 O 3 + 3CO = 2Fe + 3CO 2


Полученное в результате реакции железо каплями стекает по раскаленному коксу вниз, насыщаясь углеродом, в результате чего получается сплав, содержащий 2,14 - 6,67 % углерода. Такой сплав называется чугуном. Кроме углерода в него входят небольшая доля кремния и марганца. В количестве десятых долей процента в состав чугуна входят также вредные примеси - сера и фосфор. Кроме чугуна в горне образуется и накапливается шлак, в котором собираются все вредные примеси.

Ранее, шлак выпускался через отдельную шлаковую лётку. В настоящее время и чугун, и шлак выпускают через Чугунную летку одновременно. Разделение чугуна и шлака происходит уже вне доменной печи - в желобе, при помощи разделительной плиты. Отделенный от шлака чугун сливается в чугуновозные ковши и вывозится в сталеплавильный цех.

Родом из Азии. В слове «чугун » лингвисты усматривают тюркские корни. Так, к примеру, в азербайджанском языке «cugun» — обозначение для . Однако, литье чугуна – это работа не только с феррумом, но и углеродом.

Последнего в от 2-х до 4,5%. Состав создали в Китае в 6-ом веке. Европа переняла секрет производства в 14-ом. В России состав чугуна довели до совершенства лишь к 17-му.

Лучший товар поставлял литейный завод братьев Демидовых. Он расположился на Урале. За века чугун не утратил актуальности. Широкий спектр применения сплава обеспечивают его характеристики. С них и начнем.

Химические и физические свойства чугуна

Кроме железа и углерода материал чугун содержит и другие примеси. Так, плавку улучшают ванадий молибден. Для прочности добавляют , марганец, серу, фосфор. Примесь каждого элемента меньше 1%. Тем не менее, без нее, чугун еще более хрупок.

Солидная примесь углерода лишает сплав пластичности, вязкости. Вот сталь, в которой 6-го элемента менее 2%, ими отличается. Зачем же тогда добавляют «лишний» углерод в чугуновые трубы?

Цель – добиться исключительной твердости. По она равна 7,5 баллов. Это больше, чем у кварца. До алмаза остается всего 2,5 балла.

Кроме твердости, неизменным свойством чугуна является температура его плавления – 1200 градусов Цельсия. В остальном, характеристики сплава зависят от его типа.

Основные виды чугуна : белый, серый, высокопрочный, ковкий и половинчатый. В первом сплаве весь углерод связан с железом. Fe 3 C называют цементитом. Он делает железо белым на изломе.

Отсюда и название чугуна. Разновидность материала особенно тверда, но и особенно хрупка, плохо поддается резке. В основном, из белого чугуна отливают шары. Их используют для перемалывания промышленного сырья.

Серый чугун содержит углерод не только в виде цементита, но и . Присутствие одновременно обеих форм именуют половинчатым чугуном. О роли в нем цементита сказано.

Графит же придает сплаву характерный цвет и добавляет пластичности. Серый чугун многокомпонентный. Кроме добавки углерода солидна примесь кремния – от 1,2 до 3,6%. В состав входят, так же, , и .

Первая – вредная примесь, от которой не удается избавиться в процессе производства. А вот фосфор и марганец способствуют отбеливанию в поверхностных слоях. Так удается упрочнить оболочку деталей, улучшив при этом их пластичность.

На свойства чугуна влияет не только состав, но и скорость охлаждения. Она меняет структуру металла. Белый сплав охлаждают быстрее. Серый чугун , напротив, формируют медленно.

Высокопрочный чугун содержит углерод в виде графита, причем шарообразного. Соотношение его поверхности к объему минимально. Это делает материал однородным и прочным.

По свойствам сплав близок к литой углеродистой стали. При этом, литейные свойства высокопрочного чугуна лучше, он легко поддается резке и сохраняет износостойкость.

Купить чугун ковкий стремятся вовсе не для того, чтобы его ковать. Этой процедуре не подается ни один из видов сплава. Название указывает лишь на то, что состав поддается обработке давлением, то есть материал наиболее пластичен.

Работают же с ним, как правило, методом . Углерод в ковкой смеси графитизирован. Поэтому, марганца в составе сплава минимум. Элемент препятствует графитизации. Немного и кремния. На нижней планке в 2%, так же, держится углерод.

Марки чугуна список в разы шире перечня его видов. Только у ковкого сплава 8 типов. У них разный состав, или же, процентное соотношение компонентов. Так, марка КЧ 30-6 содержит от 2,7 до 3,1% углерода, а в КЧ 37-12 его не больше 2,5%.

Применение чугуна

Твердость в сочетании с хорошими литейными свойствами делают сплав идеальным для создания прочных деталей сложной формы, к примеру, оградок.

Такие можно увидеть на набережных Красноярска, Иркутска, Санкт-Петербурга. В северной столицы ковка чугуна применена и при создании ворот Зимнего дворца.

Лом чугуна переплавляют, так же, на станины промышленных станков. Из прочного материала делают корпусные детали, посуду. Сковорода из чугуна выбирается при готовке блюд, требующих длительного томления.

Посуда долго нагревается, зато, отлично аккумулирует тепло. Жар распределяется равномерно. К тому же, чугун наделен антипригарными свойствами.

Они, как говориться, от природы. Особое покрытие здесь не причем. Поэтому, старинные сковороды не выходят из обихода, не смотря на модные модели с тефлоном.

Не исчезают с рынка и ванны из чугуна . Они тяжелы, но долговечны. К тому же, тяжесть – не только минус. За счет массы устраняются незаметные для человека вибрации, разрушающие линию стыка ванны со стенами. Микротрещины чреваты появлением в помещении плесени и грибка.

Среди сантехнического оборудования чугунными бывают и раковины, трубы, фитинги. Последние детали используют для соединения труб. Такая продукция почти изжила себя из-за сложности не только монтажа, но и демонтажа.

Требуется сварка чугуна . Это трудоемкая процедура, требующая сноровки. Соединить же современные трубы из пластика можно специальным паяльником, потратив в разы меньше времени и сил.

Производство чугуна направлено и на отрасль автомобилестроения. Прочный и износостойкий сплав идет на блоки цилиндров от двигателей внутреннего сгорания.

В дизельных же моторах из смеси железа с углеродом делают коленчатые валы. Как правило, чугун используют в бюджетных авто или специализированных, промышленных моделях.

Детали надежны, дешевы, но тяжелы. Сейчас, как известно, производители стремятся уменьшить массу машин. Это и сокращает долю чугунных элементов в современных автомобилях.

Из сплава феррума и углерода производили всем известные буржуйки. Есть и современные печи из чугуна . И покупают не только из-за ценника. не деформируются при нагреве, что случается с моделями из других сплавов.

На высоте и теплопроводность чугунных изделий. Это делает их удобными для редкоотапливаемых площадей, или же помещений, требующих быстрого нагрева.

Добыча чугуна

Какой бы чугун ни был, это сплав. Добыть его невозможно. Смесь производят, а добывают компоненты для нее. В случае с чугуном, основной элемент – железо. Берут руды с ним и плавят в доменных печах. Топливо – каменный уголь в виде кокса. Иногда, берут мазут или природный газ.

Почему переплавляют руду, а не чистый металл? Потому что феррум не бывает самородным, всегда связан с другими элементами. Среди них и та самая пресловутая сера, от которой не удается полностью избавиться в ходе переплавки. Но, в железных рудах есть и полезные примеси – те же хром и марганец.

Руда требует подготовки – дробления и грохочения, то есть разделения по размеру частиц. Лишь потом сырье загружается в печь вместе с . В ходе окислительно-восстановительной реакции получается чугун.

Железо восстанавливается и оксидов. При этом, сами восстановители окисляются. Процесс протекает лучше и быстрее в кислородной среде. Поэтому, газ специально подается в домену печь до конца реакции.

Цена чугуна

На чугун цена зависит от вида , производителя. Чистый сплав не продается, лишь продукция из него. Так, сковорода обходится, в среднем, в 4000 рублей. Если же хочется казан для плова объемом в 225 литров, придется выложить 30-40 000.

10-литровый образец стоит около 7000 рублей. За кило дроби в 0,8 миллиметров просят около 2300 рублей. Простейшая печь-буржуйка обойдется покупателю минимум в 4500 рублей. Отопительные котлы из прочного сплава опустошат карман не меньше, чем на 30 000.

Основная же масса моделей стоит в районе 100-150 000 рублей. За ванны просят от 6000. За чугунный радиатор придется выложить от 650-ти рублей. Дешевле всего . Килограмм чугуна оценивают всего в 7-10 рублей.

Чугун является соединением железа с углеродом. Среди главных свойств можно выделить массу, форму, объем и размещение графитных примесей. В состоянии термодинамического равновесия строение сплавов железа с углеродами можно описать диаграммой. Во время модифицирования состава изменяется:

Температура эвтектики (о С) Т = 1135 + 5*Si - 35*P - 2*Mn + 4*Cr;
насыщенность эвтектики углеродом (%) С = 4,3 – 0,3*(Si+P) – 0,04*Ni – 0,07*Cr;
температура эвтектоидного превращения (о С) T = 723 + 20*Si + 8*Cr - 30*Ni - 10*Cu - 20*Mn;
насыщенность эвтектоида углеродом (%) C = 0,8 – 0,15*Si – 0,8*Ni – 0,05*(Cr+Mn).

Размещение критических точек зависит от степени нагрева – в случае охлаждения они перемещаются немного вниз. Установлены максимально точные простые формулы для подавляющего числа , не содержащего легирующих компонентов:

Насыщенность эвтектики углеродом C = 4,3 – 0,3*(Si+P);
насыщенность эвтектоида углеродом C = 0,8 – 0,15*Si.

Воздействие соединений на строение можно увидеть в таблице 1. Коэффициенты, определяющие условное графитизирующее воздействие, можно брать во внимание лишь в случае наличия (C) (около 3 %) и кремния (Si) (около 2 %).

Таблица 1. Ориентировочное влияние элементов на структуру чугуна

Элементы

Относительное графитизирующее действие

На основную металлическую массу

На графит

При затвердевании

В твердом состоянии

Уменьшение содержания перлита

Уменьшение содержания перлита

Увеличение количества и укрупнение

от +0,2 до +0,5

Марганец

более 0,8
более 1,0

Размельчение перлита
Образование сернистого марганца

Слабое размельчение
То же, но уменьшение количества

от -0,2 до +0,5

Образование сернистого марганца

То же, но уменьшение количества

от -0,2 до +0,5

Образование сульфидов

Уменьшение количества

Размельчение перлита

Увеличение количества и слабое размельчение

от +4 до -0,2

Размельчение перлита

Уменьшение количества и слабое размельчение

от -1,2 до -3,0

Не влияет

Не установлено

от +0,3 до -0,2

Молибден

Размельчение перлита. Образование игольчатой структуры

от -0,5 до -1,5

Размельчение перлита

Уменьшение количества. Значительное размельчение

Алюминий

Уменьшение содержания перлита

Увеличение количества и укрупнение

Церий и магний

Сфероидинизация


Физико-механические свойства

Самые важные показатели физико-механических свойств микроструктуры чугуна можно найти в табл. 2, физических свойств – в табл. 3. Указанный в 3-й табл. удельный вес способен сильно отклоняться в связи с колебаниями объема соединенного углерода и изменениями количества пор. Удельная масса чугуна в момент его плавления равняется 7 ± 0,1 г/см 3 . При добавлении различных простых примесей она снижается. На указанный в таблице 3 коэффициент теплового расширения влияет строение чугуна.

Сильный невозвратимый прирост объема происходит в случае изменения температуры, при которой в физической системе происходит равновесный фазовый переход. Показатель может достичь 30 %, но зачастую он не превышает 3 % при разогреве до 500 о С. Приросту объема способствуют компоненты, образующие графиты, а мешают – компоненты, образующие карбиды, а также покрытие чугуна методом эмалирования, металлизирования и гальванизации.


Таблица 2. Физические и механические свойства структурных, составляющих нелегированного чугуна

Структурная составляющая

Удельный вес Г/см 3

Коэффициент теплового линейного расширения a*10 - в 1/ о С при температурах 20 -100 о С

Теплоемкость в кал/Г* o С при температуре в о С

Теплопроводность в кал/см*сек о С

Электросопротивление в мкОм 9 см

Предел прочности при растяжении σ в в кГ/мм 2

Удлинение σ в %

Твердость НВ

Аустенит

Цементит

Тепловые свойства

Показатель теплоемкости чугуна конкретного состава можно установить по закону смешения, используя информацию, приведенную в таблице 2. Она может равняться 0,00018 ккал/(г о С) при преодолении температурой порога фазового перехода, вплоть до температуры плавления. После преодоления температуры плавления – 0,00023 ± 0,00003 ккал/(г· о С). Тепловой эффект при застывании равняется 0,055 ± 0,005 ккал/г, а в случае эвтектоидного распада аустенита обуславливается объемом включенного перлита, и может достигать 0,0215 ± 0,0015 ккал/г при эвтектоидной концентрации 0,8 % С св.

Теплоемкость единицы объема этого вещества может использоваться для укрупненных вычислений: для чугуна в твердом состоянии – приблизительно 0,001 ккал/см 3 · о С, а в жидком состоянии – 0,0015 ккал/см 3 · о С.

Теплопроводность нельзя установить по закону смешения; указанные в табл. 2 ее показатели для элементов, при росте их размеров в дисперсных системах, понижаются. Типичные показатели теплопроводности указаны в табл. 3. Роль входящих в чугун компонентов в изменении теплопроводности можно увидеть на отклонениях уровня графитизации. Показатели теплопроводности железа снижаются при повышении объема входящих в него различных добавок.

Чугун в расплавленном состоянии имеет теплопроводность около 0,04 кал/см·с· о С.
С использованием укрупненных вычислений, коэффициент теплопроводности чугуна в твердом состоянии приравнивается к его теплопроводности, а в расплавленном состоянии – к 0,3 мм 2 /с.

Таблица 3. Типичные физические свойства чугуна

Тип чугуна

Примечание, с повышением температуры: "+" - повышается; "-" - понижается

Удельный вес Г/см 3

Коэффициент теплового линейного расширения a·10 -в 1/ о С, при температурах 20-100 о С

Действительная усадка в %

Теплопроводность в кал/см·сек о С

Динамическая вязкость при температуре ликвидус дин·сек/см 2

Поверхностное натяжение в дин/см 2

Электросопротивление в Мк · ом · см

Теплоемкость в кал/Г · о С

Коэрцитивная сила в э

Остаточный магнетизм в гс


Гидродинамические свойства

Показатели абсолютной вязкости можно найти в табл. 4. Вязкости свойственно снижаться при росте доли , а также в случае понижения части серы и добавок неметаллического происхождения, обусловленного температурными показателями.

Снижение показателей вязкости и соотношение абсолютных температур опыта и момента затвердевания находятся в прямой зависимости. Во время перехода температуры начала затвердевания, показатели вязкости стремительно возрастают.

Данные о поверхностном натяжении чугуна для проведения укрупненных вычислений можно взять из таблицы 3. Оно возрастает со снижением доли углерода и стремительно меняется при добавлении в состав компонентов неметаллического происхождения.

Для определения электрических характеристик можно воспользоваться законом Курнакова. Приблизительные величины примесей можно найти в табл. 2, а, конкретно чугуна – в табл. 3. Воздействие входящих компонентов на электрическое сопротивление твердого вещества условно можно разместить в такой последовательности, по убыванию: (Si), марганец (Mn), (Cr), (Ni), (Co).

Таблица 4. Коэффициенты вязкости чугуна

Температура в о С

Коэффициент вязкости в (дин · сек/см 2) чугуна с содержанием углерода в %

Чугун застывает белым

Чугун застывает серым

Механические свойства

Статистические характеристики. Предел прочности (порог механического напряжения) чугуна можно вычислить качественным путем, исходя из его строения согласно показателям, указанным в таблице 2. Прочность компонентов, входящих в структуру чугуна, растет с повышением их взвешенных размеров в дисперсных системах. На порог механического напряжения наибольшее влияние оказывает строение, численность, объем и расположение графитных составляющих; структура общей массы металла не так важна.

Максимальное уменьшение прочности отмечается при размещении цепочкообразных компонентов графита, делающих структуру металла не такой непрерывной. Максимальные показатели прочности металлу придают сфероидальная структура графита. При увеличении температуры испытательного процесса, порог механического напряжения по большому счету не меняется вплоть до 400 о C (на промежутке от 100 до 200 о C прочность незначительно уменьшается, в пределах 10 – 15 %). После преодоления показателя в 400 о C фиксируется постоянная потеря показателей порога механического напряжения.

Характеристики пластичности обусловлены строением общей массы металла (согласно показателям, приведенным в таблице 2), но еще значительнее – формой графитных примесей. Если форма сфероидальная, то удлинение может доходить до 30 %. В сером чугуне такое удлинение практически никогда не достигает и десятой части процента. Удлинения в обожженном сером чугуне (с ферритным строением) могут составлять приблизительно 1,5 %.

Упругость обуславливается, по большому счету, графитной структурой. Она не меняется в процессе теплового воздействия на чугун, если не вносились изменения в форму графитных примесей. Тесты на изгиб показывают долю упругих деформаций равную 50 – 80 % от всей деформации.

Ползучесть чугуна не стоит путать со случаем роста (необратимого увеличения его объёма). Чугун, в составе которого отсутствуют легирующие компоненты, при нагревании, превышающем 550 о C, характеризуется остаточными деформациями, зависящими от его роста, преобладающими над деформациями, приемлемыми при определении ползучести. Если ее скорость равняется 0,00001 % в час, то за 1 тыс. часов при нагрузке в пределах 3 кг/мм 2 серый чугун без легирующих компонентов проявляет устойчивость при температурах в пределах 400 о C, а чугун, содержащий легирующие компоненты – вплоть до 500 о C. Повышения сопротивления ползучести можно добиться у аустенитного чугуна, а также у чугуна с добавкой молибдена или с повышенным наличием никеля и хрома.

Если в чугуне имеются добавки в виде графита, то его модуль упругости будет лишь условным. Этот показатель не обусловлен строением основного объема металла, и характеризуется долей графитных добавок и их строением: он снижается при повышении доли графитных добавок и при уменьшении их схожести с глобулярной структурой.

Ударная вязкость является не совсем точной характеристикой динамических качеств. Она растет с повышением включений феррита, в случае понижения включений графита, а также, когда структура графитной составляющей максимально схожа с шаровидной. При неравномерном периоде нагружений, предел усталости достигает максимума вследствие повышения напряжений, возникающих в направлении приложения нагрузки. Предел усталости повышается при росте порога механического напряжения и повторяемости нагрузок.

Технологические свойства

Жидкотекучесть определяется металлическими свойствами и структурой. Зачастую она зависит от длины заполняемой отливки, и возрастает при понижении вязкостных показателей, повышении перегрева (вместе с тем, больше всего на жидкотекучесть воздействует перегрев сверх температуры начала застывания), понижении промежутка застывания и обуславливается скрытой теплотой плавления и теплоемкости, выраженных объемом.

Химические свойства

Степень противодействия окислению обусловлена строением чугуна и окружающей средой (химический состав, температура и ее протекание). Входящие в состав чугуна элементы имеют электродный потенциал. По уменьшению этой величины их можно расположить в такой последовательности: графит (карбидное железо), двойная или тройная фосфидная эвтектика – оксифер.

Напряжение между графитом и оксифером (ферритом) равняется 0,56 вольтам. Степень противодействия коррозии понижается при соответствующем повышении уровня дисперсности входящих в состав компонентов. Тем не менее, слишком большое понижение уровня дисперсности карбидного железа понижает степень противодействия окислению. Легирующие компоненты воздействуют на способность чугуна противодействовать окислению вместе с их влиянием на структурный состав. Чрезмерное противодействие окислительным процессам отмечается у чугунных отливок со сберегшейся коркой после .

Рекомендуем почитать