в каком состоянии и в виде чего находится углерод в сером чугуне

В каком состоянии и в виде чего находится углерод в сером чугуне

Что называется чугуном?
Чугуном называется сплав железа с углеродом, получаемый путем плавки железной руды в доменных печах. Чугун содержит от 2 до 5% углерода. Как делятся доменные чугуны в зависимости от химического состава и назначения? Б зависимости от химического состава и назначения доменные чугуны делятся на передельные, литейные и специальные.

Как разделяются чугуны в зависимости от характера соединения углерода с железом?

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

В зависимости от характера соединения углерода с железом чугуны делятся на белые и серые.

Чем характерен белый чугун?

Углерод в белом чугуне присутствует в виде цементита (FeO), поэтому он очень тверд и практически не обрабатывается, а используется для переделки в сталь и для других целей. Излом белого чугуна имеет матово-белый цвет.

В каком состоянии находится углерод в сером чугуне?

В сером чугуне весь углерод или его часть находится в свободном состоянии в виде графита, который придает ему на изломе серый или темно-серый цвет. Серый чугун — основной литейный материал, он обладает вполне удовлетворительными механическими свойствами, дешев, имеет высокие литейные свойства и хорошо обрабатывается режущим инструментом.

Как обозначается серый чугун?

Серый чугун обозначается двумя буквами и двумя двухзначными числами через тире. Буквы СЧ означают серый чугун, первое двухзначное число — предел прочности на растяжение, второе — предел прочности при изгибе. Например, СЧ 18—36 — это серый чугун, предел прочности на растяжение 18, а предел прочности при Изгибе 36.

Чем отличается модифицированный чугун от обычного серого чугуна?

Модифицированный чугун отличается от обычного серого чугуна тем, что обладает повышенными механическими и литейными свойствами. Получают его путем добавления в жидкий серый чугун графитиру- ющих присадок (ферросилиция, еиликокальция или силикоалюминия). Марки модйфицированного чугуна: СЧ 28—48, СЧ 32—52 и др.

Каким образом получают высокопрочный чугун?

Высокопрочный чугун получают из серого чугуна путем присадки в ковш перед разливкой в формы магния. Получается чугун с шаровидным графитрм, обладающий высокими механическими и литейными свойствами.

Марки высокопрочного чугуна по ГОСТ 7293—54: ВЧ 45-0, ВЧ 45-5, ВЧ 40—10, ВЧ 50—1,5, ВЧ 60— 2. Буквы ВЧ означают высокопрочный чугун, первые две цифры—лредел прочности при растяжении, а последние— величину относительного удлинения при растяжений.

Как получают ковкий чугун?

Ковкий чугун получают путем длительного отжига белого чугуна в специальных печах, после чего в чугуне вместо свободного цементита образуется графит.

Марки ковкого чугуна по ГОСТ 1215—59: КЧ 30— 6, КЧ 33—8, КЧ 35—10, КЧ 37—12 и др. Буквы КЧ означают чугун ковкий, первые две цифры — предел прочности при растяжении, а последние—относительное удлинение при растяжении.

Какие детали изготовляют из серого чугуна в краностроении?

Источник

Чугун с пластинчатым графитом

Рис. 1: Микроструктура серого чугуна с пластинчатым графитом, увеличение х 500

Серый чугун с пластинчатым графитом (flake graphite iron for casting) представляет собой железоуглеродистый сплав, легированный кремнием и марганцем, в котором в процессе кристаллизации углерод выделяется в отдельную фазу в виде пластинчатого графита.

Серый чугун, обладающий хорошими литейными свойствами, высокой циклической вязкостью, относительно высокой усталостной прочностью, малой чувствительностью к надрезам, низкой усадкой, высоким выходом годного, хорошей износостойкостью, обрабатываемостью, низкой себестоимостью производства, в настоящее время является самым распространенным сплавом для производства отливок.

Недостатки серого чугуна: низкая пластичность, стойкость при ударном приложении нагрузки, затруднительная свариваемость.

Физико-механические и технологические свойства отливок из серого чугуна с пластинчатым графитом определяются микроструктурой материала отливок, которая формируется в зависимости от химического состава чугуна и отдельных копонентов шихты; скорости кристаллизации и охлаждения отливок (формы, конструктивных особенностей и толщины стенок отливок; физических свойств материала литейных форм и стержней, их толщины; температуры заливки и т.д.); проведения процессов модифицирования, микролегирования и термической обработки.

Микроструктура серого чугуна слагается из металлической матрицы (основы) и внедренных в нее прямолинейных или искривленных (на подобие лепестков розы) пластинок графита (свободного углерода), который обладает низкой механической прочностью, при этом, чем больше включений графита, крупнее размеры его включений, более прямолинейна их форма, неравномерность распределения включений графита по сечению, тем ниже механические свойства чугуна.

Основные структурные составляющие матрицы:

1. Феррит — твердый раствор углерода в α-железе, характеризуется низкой механической прочностью (σВ=25-30 кгс/мм2; σТ=12-30 кгс/мм2; δ=30-50%; ψ=60-85%; твердость 80-100 НВ). Образуется из аустенита при медленном охлаждении сплавов от температур аустенитной области. Температура образования феррита в чугунах — 723°C.
2. Цементит — химическое соединение углерода с железом (Fe3C — карбид железа, содержит 6,67% углерода), наиболее твердая и очень хрупкая составляющая структуры чугунов (твердость — 1000 кгс/мм2, удлинение в процессе испытания на растяжение практически не наблюдается), повышает твердость чугуна. Образуется при охлаждении чугунов в соответствии с метастабильной диаграммой состаяния Fe-C (железо-цементит). В зависимости от условий образования различают: первичный цементит — выделяется при затвердевании расплава, вторичный цементит — образуется из аустенита и третичный цементит — возникает вследствие выделения углерода из феррита. При нагреве цементит распадается на аустенит и графит.
3. Перлит — эвтектоидная смесь феррита и цементита. В условиях, близких к равновесным, образуется в результате эвтектоидного распада аустенита при медленном охлаждении: As→Ф+Fe3C. Распад происходит при постоянной температуре 723°C. В перлите находится 12% цементита, при этом, весь углерод (в объеме 0,8%) сосредоточен в цементите. Различают перлит пластинчатый и зернистый. В пластинчатом перлите феррит и цементит имеют форму пластинок с межпластинчатым расстоянием 0,5-1 мкм. В зернистом перлите округлые зерна цементита на фоне зерен феррита. Структура перлита сильно зависит от скорости охлаждения — чем выше скорость охлаждения, тем она мельче. Тонкодисперсные разновидности перлита — сорбит (межпластинчатое расстояние: 0,2-0,4 мкм, твердость: 230-330 HB) и троостит(межпластинчатое расстояние: ~0,1 мкм, твердость: ~40-45 HRC). Механические свойства перлита зависят от расстояния между пластинками — чем оно меньше, тем выше предел прочности и предел текучести. Твердость перлита составляет порядка 300 кгс/мм2.
4. Аустенит — твердый раствор углерода и легирующих элементов в γ-железе. Максимальное содержание углерода в аустените 2,03%. В чугунах устойчив при температуре выше 723°C. В Fe-C сплавах высоколегированных Cr, Ni или Mn, аустенит может быть устойчивым при комнатной температуре. Аустенит немагнитен, отличается высокой вязкостью и пластичностью, сравнительно низкой прочностью, высокой плотностью, по сравнению с другими структурными составляющими железоуглеродистых сплавов.
5. Ледебурит — эвтектическая смесь цементита и аустенита. Содержит 4,3% углерода. Образуется при температуре 1145°C. При температуре ниже эвтектоидной (723°C) аустенит превращается в перлит и, таким образом, при комнатной температуре ледебурит состоит из цементита и перлита.

Различное сочетание структурных составляющих придает серому чугуну широкую гамму разносторонних физико-механических свойств. Структура и свойства чугуна с пластинчатым графитом в значительной мере определяются процессом графитизации, на который оказывают влияние присутствующие в чугуне элементы. По степени интенсивности воздействия на процесс графитизации элементы выстраиваются в следующий ряд:

Si, Al, C, Ti, Ni, Cu, P, Zr | Nb | W, Mn, Cr, V, S, Mg, Ce, Te, B

Элементы, способствующие графитизации чугуна и образованию феррита, распологаются слева от Nb, а справа от Nb элементы, способствующие образованию карбидов и перлита.

Влияние химических элементов на свойства серого чугуна:

1. C — в наибольшей степени способствует графитизации чугуна, понижает прочность, повышает пластичность, улучшает литейные свойства.
2. Si — способствует графитизации, укрупняет включения графита, повышает механические свойства (при содержании >3% понижает пластичность), улучшает литейные свойства.
3. Mn — обессеривает и раскисляет чугун; тормозит процесс графитизации; повышает склонность к отбелу, дисперсность перлита, механические свойства (при содержании от 0,7 до 1,3%, а при дальнейшем повышении содержания — снижает), увеличивает усадку.
4. S — вредная примесь: образует с железом легкоплавкую эвтектику с температурой плавления 985°C, которая размещаясь на границах кристаллов, приводит к снижению механических свойств чугуна, его жидкотекучести, повышению усадки, придает чугуну «красноломкость» (образование трещин при высоких температурах).
5. P — вредная примесь: повышает жидкотекучесть и хрупкость (для машиностроительных отливок содержание ограничивают 0,2%, в художественном литье, где на первом месте стоит жидкотекучесть, а не прочность, содержание фосфора может достигать 0,8-1,0%).
6. Ni — легирующий элемент: выравнивает механические свойства в отливках со стенками различной толщины, повышает твердость, коррозионную стойкость и обрабатываемость резанием.
7. Cu — способствует графитизации, увеличивает жидкотекучесть, повышает прочность и твердость..
8. Cr — тормозит процесс графитизации, измельчает графит, повышает дисперсность перлита, прочность, твердость, понижает пластичность и литейные свойства.
9. Ti — способствует графитизации (при содержании до 0,05%), при большем содержании тормозит этот процесс, повышает механические свойства.
10. Mg — способствует графитизации (при содержании до 0,01%), при большем содержании увеличивает отбел, является сильным десульфуратором.
11. Mo — легирующий элемент: замедляет графитизацию, способствует карбидообразованию, повышает твердость (без ухудшения обрабатываемости), сопротивление износу.

Стандарты

Технические характеристики серого чугуна для изготовления отливок регламентируется ГОСТ 1412-85 «Чугун с пластинчатым графитом для отливок. Марки».

Маркировка

Чугун с пластинчатым графитом маркируют буквами СЧ (начальные буквы слов «серый чугун»), за которыми следуют две цифры, отображающие предел прочности при растяжении σB (в кгс/мм2). К примеру, маркировка СЧ20 означает — серый чугун с пластинчатым графитом с пределом прочности на растяжение не ниже — 20 кг/мм2.

Классификация чугуна с пластинчатым графитом

В зависимости от микроструктуры металлической матрицы серый чугун с пластинчатым графитом подразделяют на:

1. Ферритный чугун (рис. 2а)
2. Феррито-перлитный чугун (рис. 2б)
3. Перлитный чугун (рис. 2в)

Рис. 2: Схемы структур серого чугуна х 300 [8]: а — ферритная, б — феррито-перлитная, в — перлитная

Механические свойства

Механические свойства материала отливок из серого чугуна с пластинчатым графитом должны удовлетворять требованиям ГОСТ 1412-85, приведенным в табл. 1.

Таблица 1: Механические свойства серого чугуна по ГОСТ 1412-85

римечание: Допускается превышение минимального значения σВ не более чем на 100 МПа, если в нормативно-технической документации на отливки нет других ограничений. Временное сопротивление при растяжении чугуна марки СЧ10 определяется по требованию потребителя.

Структура чугуна зависит от толщины стенок чугунных отливок. В зависимости от толщины стенки отливки, чугун кристаллизуется и охлаждается с различной скоростью (чем толще стенка отливки, тем ниже скорость охлаждения и тем больше выделяется графита в структуре чугуна и тем ниже прочностные характеристики материала отливки). Зависимость прочностных характеристик чугуна от толщины стенок отливок приведена в табл. 2.

Таблица 2: Ориентировочные данные о временном сопротивлении при растяжении и твердости в стенках отливок различного сечения по ГОСТ 1412-85

Примечания:

1. Значения временного сопротивления при растяжении и твердости в реальных отливках могут отличаться от приведенных в таблице.
2. Значения временного сопротивления при растяжении и твердости в стенке отливки толщиной 15 мм приблизительно соответствуют аналогичным значениям в стандартной заготовке диаметром 30 мм.

Химический состав

Рекомендуемый химический состав серого чугуна для отливок согласно ГОСТ 1412-85, приведен в табл. 3.

Таблица 3: Химический состав серого чугуна по ГОСТ 1412-85

Примечание: Допускается низкое легирование чугуна различными элементами (Cr, Ni, Cu, P и др.)

Физические свойства

Справочные данные о физических свойствах серого чугуна с пластинчатым графитом по ГОСТ 1412-85, в зависимости от марки чугуна, приведены в табл. 4.

Таблица 4: Физические свойства чугуна с пластинчатым графитом

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.

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:

Состав серого чугуна и его структура

Параметры и свойства сплава напрямую зависят от режима охлаждения, дело в том, что именно во время охлаждения формируется структура материала.

В процессе медленного охлаждения происходит образование немалых кристаллов железа, а сочетание металла и углерода становится перлитным. В ходе такого охлаждения происходит не только увеличение размера кристаллов металла, но и углеродных включений. Такое сочетание приводит к тому, что перлитный материал имеет не только высокую прочность, но и повышенную хрупкость.

Оценка структуры СЧ определяет:

• размеры включений графита, измеряя в микрометрах (МКМ), их распределение, количество (в %), вид структуры металлической основы и при наличии перлита — его дисперсность.

По строению металлической основы серые чугуны делят на:

1. перлитные — в составе структуры перлит и графит;
2. ферритно-перлитные — феррит, перлит и графит;
3. ферритные — структура состоит из феррита и графита.

Какая основа будет зависит от скорости охлаждения после затвердевания.

Для обозначения частей микроструктуры чугун этого типа используют терминологию определенную в ГОСТ 3443-87, например, пластинчатый графит обозначают буквами ПГ. Углерод включен в материал в следующих формах.

• пластинчатая прямолинейная, ее обозначают ПГФ1;
• пластинчатая завихреная — ПГФ2;
• игольчатая — ПГФ3;
• гнездообразная -ПГФ4.

Первоочередную значимость для приобретения требуемых параметров чугунной отливки имеет его структура, именно поэтому при выполнении заготовок требуется тщательное выполнение технологии плавления и заливания сырья. Для обретения требуемых параметров серого чугуна и устранения дефектов применяют операцию модификации.

В составе СЧ, в зависимости от его марки, могут входить следующие вещества:

Основа — Fe (железо), остальное:

• C (углерод) — 2,9-3,7%;
• Si (кремний) -1,2-2,6%;
• Mn (марганец) — 0,5-1,1;
• P (фосфор) не больше 0,2-0,3%;
• S (сера) не больше 0,12-0,15%.

Допустимо легирование серого чугуна с использованием таких веществ как Cr, Ni, Cu, и некоторыми другими элементами.

Кремний в составе увеличивает графитизацию углерода. Марганец несмотря на то что затрудняет графитизацию, улучшает его механические свойства.

Химический состав СЧ определен в ГОСТ 1412-85. Серый чугун производят во многих странах мира, в США аналогом этого материала считается A48-30B, в Британии BS 200 или 220, в КНР GB HT 20, в Европейском союзе EN-JL1030 FG20.

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:

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

Структура и состав

Если рассматривать чугун как структурный материал, то он представляет собой металлическую полость с графитными включениями. Структура чугуна это в основном перлит, ледебурит и пластичный графит. При этом у каждого вида чугуна эти элементы преобладают в разных пропорциях или отсутствуют совсем.

По структуре чугуны бывают:

• перлитные,
• ферритные и
• ферритно-перлитный.

Графит присутствует в этом материале в одной из форм:

• Шаровидная. Графит приобретает такую форму при добавлении присадки магния. Шаровидная форма графита характерна для высокопрочных чугунов.
• Пластичная. Графит похож на форму лепестков. В такой виде графит присутствует в обычном чугуне. Этот чугун обладает повышенными свойствами пластичности.
• Хлопьевидный. Графит приобретает такую форму в результате отжига белого чугуна. Графит в хлопьевидном виде находится у ковкого чугуна.
• Вермикулярный. Графит названной форма находится у серого чугуна. Она была разработана специально для улучшения пластичных и прочих свойств.

Влияние примесей на свойства материала

Компоненты, входящие в состав чугуна, оказывают влияние на качество сплава:

• сера способствует снижению тугоплавкости и текучести чугуна;
• фосфор уменьшает прочность, но дает возможность варьировать форму готовых изделий;
• кремний снижает температуру плавления металла и усиливает его литейные качества. Кроме того, этот элемент позволяет получать сплавы разного цвета: от чисто-белого до ферритного;
• марганец придает чугуну прочность и твердость, но снижает литейные и технологические свойства готового материала;
• введение в состав титана, алюминия, хрома, никеля или меди позволяет изготавливать легированные сплавы. Они обладают высокими литейными качествами и доказали хорошую механическую обрабатываемость.Технология получения

Чугун, отлитый в виде чушек
Исходник получения сырья для металлургов – железные руды (горные породы с доминированием железа в составе).

Руду отправляют на обогатительные комбинаты, где из сырья удаляют часть «порожняка».

Полученный материал везут на металлургический комбинат.

Здесь им загружают доменные печи:

• Добавляют топливо – кокс (продукт обработки каменного угля), известняк, брикетированную угольную пыль.
• Плавят при высоких температурах.
• В процессе восстановления из оксидов получают железо с внедренным в его структуру углеродом.

В результате плавки формируется чугун и шлак (смесь золы топлива, незадействованных флюсов, других продуктов).

При необходимости добавляются лигатуры. Они определяют физические и химические свойства материала.

Производство несложное, но экологически грязное.

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.

Источник

Серый чугун

Серый чугун — это сплав железа с углеродом, который при охлаждении металла образуется в виде хлопьевидных или пластинчатых включений. Содержание углерода в сплаве превышает 2,14%, что выше нормальной растворимости. Этим сплав и отличается от стали, в которой углерод полностью растворен и отсутствует в виде отдельных включений, структура которых определяет их как графит.

Основные характеристики

Серый чугун лежит в основе черной металлургии, поскольку получается в результате восстановления железных руд при помощи углеродного топлива (кокса). В результате, кроме химической реакции восстановления окислов железа, сплав дополнительно насыщается свободным углеродом.

Высокое содержание углерода в свободном состоянии определяет механические свойства серого чугуна. Одно из основных качеств, которые позволяют использовать серый чугун не только в качестве передельного металла, это его высокие литейные качества и малая усадка при застывании. Расплавленный металл имеет высокую текучесть, поэтому из него можно выполнять отливки сложной формы.

Плиты серого чугуна

Ограничение по использованию изделий из серого чугуна обусловлено тем, что он имеет низкую прочность на изгиб, высокую хрупкость. Вместе с тем прочность серого чугуна на сжатие очень высока.

Несмотря на высокую хрупкость, такая характеристика, как износостойкость чугуна, позволяет использовать его в изделиях, работающих в условиях трения. В данных условиях сильное влияние оказывают антифрикционные свойства сплава.

Из-за наличия вкраплений углерода сварка серого чугуна практически невозможна. Существуют технологии сварки при наличии определенных условий. Это предварительный нагрев деталей, использование специальных высокоуглеродистых электродов, но все равно, структура металла шва сильно отличается от основного материала. Свариваемые детали должны медленно охлаждаться для устранения напряжений в зоне шва.

Материаловед

Чугуном называют сплав железа, углерода (более 2,14 %) и других элементов (кремния, марганца, фосфора, серы и др.). В чугуне углерод может находиться в химически связанном состоянии в виде цементита (Fe3C) и в свободном состоянии в виде включений графита.

Серый чугун обладает хорошими технологическими свойствами и низкой стоимостью, в настоящее время является распространенным литейным материалом.

Серым называют такой чугун, в котором весь углерод или большая его часть находится в виде графита, а в связанном состоянии (в форме цементита) углерода содержится не более 0,8 %. Излом такого чугуна имеет серый цвет.

Из серого чугуна изготовляют самые разнообразные литые детали – от простых до сложных. Отливки хорошо обрабатываются на металлорежущих станках. Пример условного обозначения серого чугуна по ГОСТ 1412-85:

СЧ 25.

Буквы «СЧ» означают серый чугун, число (25) – значение временного сопротивления при растяжении (σв), МПа·10-1.

Его механические свойства зависят от величины зерна металла, от размеров и характера распределения включений графита и др. В обычном сером чугуне графит кристаллизуется в виде пластинок, которые расчленяют основную металлическую массу и действуют как внутренние трещины. По этой причине серый чугун с пластинчатым графитом обладает низкой прочностью и малой пластичностью (до 0,3 %).

Серый чугун обладает способностью рассеивать вибрационные колебания при переменных нагрузках. Это свойство называют циклической вязкостью. Серый чугун имеет хорошие литейные свойства, а отдельные марки обладают достаточно высокой прочностью и износостойкостью.

В сером чугуне обычно содержится 2,9–3,6 % С; 1,5–3,5 % Si; 0,4–1 % Mn; 0,2–0,12 % S; в легированном чугуне содержатся и другие элементы.

Элементы, входящие в состав серого чугуна, существенно влияют на его свойства.

Кремний способствует выделению в чугуне углерода в виде графита, понижает температуру его плавления, обеспечивая высокие литейные и технологические свойства.

Марганец действует на свойства чугуна противоположно кремнию: он препятствует выделению в чугуне углерода в виде графита, увеличивая устойчивость цементита. Марганец повышает твердость чугуна и прочность отливок.

Сера, как и марганец, задерживает выделение в чугуне углерода в свободном состоянии. Способствует отбеливанию чугуна, делает его более тугоплавким, снижает жидкотекучесть. Поэтому в чугуне сера считается вредной примесью.

Фосфор в сером чугуне может оказывать и вредное, и полезное влияние. Повышая хрупкость, фосфор снижает механические свойства чугуна. Следовательно, в чугуне для машиностроительных отливок, требующих высокой прочности, значительное содержание фосфора может быть вредной примесью. Фосфор увеличивает жидкотекучесть металла. Следовательно, в чугуне для тонкостенных, со сложной поверхностью отливок, не требующих высокой прочности, повышенное содержание фосфора будет желательным. При изготовлении художественных отливок, особенно ажурных, содержание фосфора в чугуне до 1 % считается полезной примесью, увеличивающей жидкотекучесть расплава и стойкость отливок против коррозии.

Серые чугуны, применяемые в промышленности в качестве конструкционного материала для литых деталей, по физико-механическим характеристикам можно условно разделить на 4 группы: малой прочности, повышенной прочности, высокой прочности и со специальными свойствами.

Применяют серые чугуны с пластинчатым графитом 11 марок. Механические свойства и химический состав серых чугунов указаны в табл. 2.1.

Таблица 2.1. Марки серых чугунов с пластинчатым графитом

Детали, получаемые из серого чугуна, со структурой феррита имеют невысокую прочность, прочные – с феррито-перлитной структурой и наиболее прочные – с перлитной структурой.

Из серого чугуна отливают колонны, котлы, радиаторы, ванны, трубы, а также самые разнообразные конструкционные детали для машиностроения.

Высокопрочный чугун имеет металлическую основу и шаровидные включения графита. Из него изготовляют отливки со стенками большой толщины и высокой прочности (коленчатые валы, зубчатые колеса, детали турбин). Высокопрочный чугун получают модифицированием жидкого серого чугуна магнием. В результате модифицирования в чугуне образуется графит шаровидной формы. В отличие от обычного серого чугуна этот чугун обладает повышенной пластичностью и большей прочностью. Высокопрочный чугун, по сравнению с обыкновенным серым, обладает меньшей склонностью к отбелу.

Высокопрочный чугун с графитом шаровидной формы подразделяется в зависимости от механических свойств на следующие марки, приведенные в табл. 2.2.

Таблица 2.2. Марки высокопрочного чугуна для отливок с шаровидным графитом

Пример условного обозначения высокопрочного чугуна по ГОСТу 7293-85:

ВЧ 60.

Буквы «ВЧ» обозначают высокопрочный чугун, первые две цифры – значение временного сопротивления при растяжении σв, МПа·10-1.

Ковкий чугун получают путем длительного нагрева при высоких температурах (950–1000 °С) (отжигом) отливок из белого чугуна. При отжиге образуется графит, имеющий компактную хлопьевидную форму. При такой форме графита, отливки перестают быть хрупкими, приобретают способность выдерживать ударные нагрузки (свободный углерод в них имеет форму, промежуточную между пластинчатой и шаровидной – хлопьевидную).

Название «ковкий чугун» условно и указывает лишь на то, что этот материал по сравнению с серым чугуном является пластичным. В действительности же ковкий чугун никогда ковке не подвергают, из него, так же как из серого чугуна, изготовляют лишь фасонные отливки для машиностроения. Ковкий чугун по механическим свойствам занимает промежуточное положение между серым чугуном и сталью. Детали, изготовленные из такого чугуна, хорошо работают в среде влажного воздуха, поточных газов и воды. В зависимости от способа производства ковкого чугуна его подразделяют на группы: ферритный и перлитный.

Ферритный ковкий чугун получают при отжиге отливок из белого чугуна в нейтральной среде. Такой чугун имеет бархатный черный излом и состоит из феррита и графита отжига Fe3C→3Fe+Cотж. Из ферритного ковкого чугуна с повышенной пластичностью изготовляют ответственные детали для автомобилей и сельскохозяйственных машин, для этих целей используют марки КЧ 37-12; КЧ 35-10. Для малоответственных деталей (гайки, фланцы и др.) применяют КЧ 30-6; КЧ 33-8.

Перлитный ковкий чугун получают после отжига белого чугуна в окислительной атмосфере. Вследствие обезуглероживания в процессе отжига отливок получают чугун с меньшей вязкостью. Этот чугун находит ограниченное применение в машиностроении.

Из перлитного ковкого чугуна изготовляют карданные валы, звенья цепей конвейера, муфты и др.

Ковкий чугун подразделяется в зависимости от механических свойств на следующие марки, приведенные в табл. 2.3.

Таблица 2.3. Марки ковких чугунов

Основной химический состав ковкого чугуна: 2,4–2,8 % C; 0,8–1,4 % Si; менее 1 % Mn; менее 0,1 % S; менее 0,2 % P.

Примеры записи марки ковкого чугуна по ГОСТ 1215-79:

КЧ 30-6.

Буквы «КЧ» обозначают ковкий чугун, первое число – значение временного сопротивления при растяжении σв, МПа·10-1, второе число – минимальное относительное удлинение δ, %.

Химический состав и структура

В химический состав сплава, кроме железа и углерода, входит также некоторое содержание кремния. Свойства сплава зависят от условий охлаждения, поскольку время изменения температуры влияет на формирование внутренней структуры материала.

При медленном остывании образуются крупные кристаллы железа, и соединения металла с углеродом приобретают перлитную основу. Медленное остывание вызывает рост геометрических размеров не только кристаллов железа, но и включений углерода, поэтому, перлитный металл имеет высокую прочность, но повышенную хрупкость.

Микроструктура серого чугуна

В условиях быстрого охлаждения углерод не успевает сформировать крупные включения графита, поэтому сплав приобретает ферритную структуру.

Ферритный серый чугун имеет несколько меньшую хрупкость, чем перлитный.

Выбирая режим охлаждения литой заготовки, можно определенным образом влиять на итоговые свойства материала, в зависимости от предъявляемых требований.

Белый и серый чугун

Серый и белый чугуны резко различаются но свойствам. Белые чугуны очень твердые и хрупкие, плохо обрабатываются режущим инструментом, идут на переплавку в сталь и называются передельными чугунами. Часть белого чугуна идет на получение ковкого чугуна.

Серые чугуны – это литейный чугун. Серый чугун поступает в производство в виде отливок. Серый чугун является дешевым конструкционным материалом. Он обладает хорошими литейными свойствами, хорошо обрабатывается резанием, сопротивляется износу, обладает способностью рассеивать колебания при вибрационных и переменных нагрузках. Свойство гасить вибрации называют демпфирующей способностью. Демпфирующая способность чугуна в 2-4 раза выше, чем стали. Высокая демпфирующая способность и износостойкость обусловили применение чугуна для изготовления станин различного оборудования, коленчатых и распределительных валов тракторных и автомобильных двигателей и др. В соответствии с ГОСТ 1412-80 выпускают следующие марки серых чугунов (в скобках указаны числовые значения твердости НВ): СЧ 10 (143-229), СЧ 15 (163-229), СЧ 20 (170-241), СЧ 25 (180—250), СЧ 30 (181-255), СЧ 35 (197-269), СЧ 40 (207-285), СЧ 45 (229-289).

Серый чугун получают при добавлении в расплавленный металл веществ, способствующих распаду цементита и выделению углерода в виде графита. Для серого чугуна графитизатором является кремний. При введении в сплав кремния около 5% цементит серого чугуна практически полностью распадается и образуется структура из пластичной ферритной основы и включений графита. С уменьшением содержания кремния цементит, входящий в состав перлита, частично распадается и образуется ферритно-перлитная структура с включениями графита. При дальнейшем уменьшении содержания кремния формируется структура серого чугуна на перлитной основе с включениями графита.

Механические свойства серых чугунов зависят от металлической основы, а также формы и размеров включений графита. Наиболее прочными являются серые чугуны на перлитной основе, а наиболее пластичными – серые чугуны на ферритной основе. Поскольку графит имеет очень малую прочность и не имеет связи с (.металлической основой чугуна, полости, занятые графитом, можно рассматривать как пустоты, надрезы или трещины в металлической основе чугуна, которые значительно снижают его прочность и пластичность. Наибольшее снижение прочностных свойств вызывают включения графита (рис. 25, а) в виде пластинок, наименьшее – включения точечной или шарообразной формы.

Рис. 25. Микроструктура чугуна с различной формой графита: а – пластинчатый графит в сером чугуне, б – шаровидный графит в высокопрочном чугуне, в – хлопьевидный графит в ковком чугуне

По физико-механическим характеристикам серые чугуны условно можно разделить па четыре группы: малой прочности, повышенной прочности, высокой прочности и со специальными свойствами. Серый чугун малой прочности имеет в основе микроструктуру феррита или феррита и перлита с пластинчатым графитом (рис. 25, а). Такой чугун обладает прочностью на растяжение 300 МПа и соответствует маркам до СЧ 30. В марке буквы сокращенно обозначают наименование чугуна, а следующая за ними двухзначная цифра – предел прочности на растяжение.

Серый чугун повышенной прочности имеет перлитную основу и более мелкое, завихренное строение графита. Он соответствует маркам от СЧ 35 до СЧ 40. Прочность этих чугунов обеспечивается легированием и модифицированием чугуна.

Легированный серый чугун имеет мелкозернистую структуру и лучшее строение графита за счет присадки небольших количеств никеля и хрома, молибдена, а иногда титана или меди.

Модифицированный серый чугун имеет однородное строение по сечению отливки и более мелкую завихренную форму графита. Химический состав шихты для изготовления модифицированного чугуна подбирают таким, чтобы обычный немодифицированный чугун затвердевал бы в отливке с отбелом (т. е. белым или половинчатым). Модификаторы – ферросилиций, силикоалюминий, силикокальций и др. – добавляют в количестве 0,1-0,3% от массы чугуна непосредственно в ковш во время его заполнения. В структуре отливок из модифицированного серого чугуна не содержится ледебуритного цементита. Вследствие малого количества вводимого в чугун модификатора его химический состав практически остается неизменным. Жидкий модифицированный чугун необходимо немедленно разливать в литейные формы, так как эффект модифицирования исчезает через 10-15 мин.

Применение

Серый чугун широко применяется при литье изделий, для которых важна высокая прочность на сжатие. Это свойство важно, главным образом, при изготовлении литых станин инструментального парка. Применение материала ограничивается повышенной хрупкостью изделий при наличии значительных изгибающих усилий.

Изделие из серого чугуна

Ранее широко использовались хорошие литейные свойства материала при изготовлении различных изделий бытового и промышленного назначения. Разнообразная кухонная и бытовая утварь – чугунки, сковороды, утюги, изготовленная литьем при минимальной последующей обработке имела низкую себестоимость и легкость в производстве.

В настоящее время при помощи литья изготавливают также высоконагруженные элементы машин, где они не подвергаются изгибающим нагрузкам. Это поршни и цилиндры двигателей внутреннего сгорания.

Детали высокой прочности, отлитые из серого чугуна, имеют минимальную стоимость и высокий срок службы. Без преувеличения можно сказать, что литые станины и корпуса станков являются практически вечными по сравнению с остальными элементами устройства.

Источник