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 прочно вошел в нашу жизнь много лет назад. Он относительно легко производится и широко применяется в различных областях. Чтобы иметь четкое представление об этом материале необходимо знать его особенности, минусы, плюсы, химический состав, свойства, структуру чугуна и его сплавов, их производство и область применения.
Итак, давайте узнаем, какие железоуглеродистые сплавы называют чугунами.
Понятие
Чугуном называется железоуглеродистый сплав с содержанием углерода, то есть под ним понимается материал, который состоит из сплава и углерода. Процентное содержание углерода в чугуне составляет более 2,14%. Последний элемент может входить в чугун в виде графита или цементита.
Данное видео рассказывает об особенностях чугуна:
Разновидности
Различают белый и серый чугун.
- Углерод в белом чугуне представлен в виде карбида железа. Если переломить его, то можно увидеть белый отлив. В чистом виде белый чугун не используют. Его добавляют к процессу производства ковкого чугуна.
- На изломе серый чугун имеет серебристый отлив. У этого вида чугуна большая сфера использования. Он хорошо поддается обработке резцами.
Кроме этого, чугуны бывают высокопрочные, ковкие и со специальными свойствами.
- Высокопрочный чугун используют в целях повышения прочности изделия. Механические свойства такого чугуна позволяют это сделать на отлично. Высокопрочный чугун получают из серого в результате добавление к массе примеси магния.
- Ковкий чугун — это разновидность серого. Название не означает, что этот чугун легко подвергают ковке. Он обладает повышенными свойствами пластичности. Его получают помощью отжига из белого чугуна.
- Различают так же половинчатый чугун. В нем некоторая часть углерода находится виде графита, а оставшиеся часть в форме цементита.
Особенные черты
Особенность чугуна кроется в процессе его производства. Средняя температура плавления разных видов чугуна составляет 1200ºС. Это значение на 300 градусов меньше, чем у стали. Связано это с очень высоким содержанием углерода. Углерод и имеют между собой не очень тесную связь.
Когда идет процесс выплавки, углерод не может полностью внедриться в решетку железа. В результате чугун принимает свойство хрупкости. Его нельзя использовать для изготовления деталей, на которых будет постоянно действовать нагрузка.
Чугун относится к материалам черной металлургии. Его характеристики часто сравнивают со сталью. Изделия из стали или чугуна широко используются в нашей жизни. Их применение является оправданным. Проведя сравнение характеристик, можно сказать следующее об этих двух материалах:
- Стоимость чугунных изделий ниже стоимости стальных.
- Материалы отличаются по цвету. Чугун – это темный матовый материал, а сталь – светлый и блестящий.
- Чугун легче, чем сталь поддается литью. Но сталь легче сваривается и куется.
- Чугун менее прочный, чем сталь.
- По весу чугун легче стали.
- В стали содержание углерода, выше чем в стали.
Плюсы и минусы
Чугун, как и любой материал, имеет положительные и отрицательные стороны.
К плюсам чугуна относят:
- Углерод в чугуне может находиться в разном состоянии. Поэтому этот материал может быть двух видов (серый и белый).
- Определенные виды чугуна обладают повышенной прочностью, поэтому чугун иногда ставят на одну линию со сталью.
- Чугун может достаточно долго сохранять температуру. То есть при нагреве тепло равномерно распределяется по материалу и остается в нем длительное время.
- По экологичности чугун является чистым материалом. Поэтому его часто используют для изготовления посуды, в которой впоследствии готовится пища.
- Чугун стоек в кислотно-щелочной среде.
- Чугун обладает хорошей гигиеничностью.
- Материал отличается достаточно долгим сроком службы. Замечено, что чем продолжительнее используется чугун, тем его качество лучше.
- Чугун – долговечный материал.
- Чугун – это безвредный материал. Он не способен нанести организму даже маленького вреда.
К минусам чугуна относят:
- Чугун покроется ржавчиной, если на нем непродолжительное время будет находиться вода.
- Чугун – дорогостоящий материал. Однако этот минус оправдан. Чугун очень качественный, практичный и надежный. Предметы, изготовленные из него, так же получаются качественными и долговечными.
- Для серого чугуна характерна маленькая пластичность.
- Для белого чугуна характерна хрупкость. Он в основном идет на переплавку.
Свойства и характеристики
- Физическими . К этим характеристикам относятся: удельный вес, коэффициент линейного расширения, действительная усадка. Удельный вес меняется в зависимости от содержания в материале углерода.
- Тепловыми . Теплопроводность материала принята рассчитывать по правилу смещения. Для твердого чугуна объемная теплоемкость равна 1 кал/см 3* о С. Если чугун жидкий, то она равна примерно 1,5 кал/см 3 * о С.
- Механическими . Эти свойства зависят от самой основы, а так же от размеров и формы графита. Самым прочным считается серый чугун с перлитной основой, а самым пластичным — с ферритной основой. Максимальное снижение прочности наблюдается при форме графита «пластинка», а минимальное – при форме «шар».
- Гидродинамическими . Вязкость в чугуне меняется в зависимости от наличия марганца и серы. Так же она резко возрастает когда температура чугуна переходит точку начала затвердевания.
- Технологическими. Чугун обладает отличными литейными свойствами, стойкости к износу и вибрации.
- Химическими . По электродному потенциалу (по мере убывания) структурные составляющие чугуна располагаются в следующем виде: цементит — фосфидная эвтектика — феррит.
Отличия чугуна от стали по химическому составу и свойствам
На свойства чугуна влияют специальные примеси.
- Так добавление серы позволяет существенно уменьшить жидкотекучесть и снизить тугоплавкость.
- Добавление фосфора одновременно дает возможность создать изделие сложной формы, но не дает ему повышенной прочности.
- Примесь в виде делает температуру плавления не такой высокой и значительно улучшает свойства литья. Различное процентное содержания кремния позволяет создать разный чугун: от чисто-белого до ферритного.
- Марганец ухудшает литейные и технологические свойства, но повышает прочность и твердость.
О том, как сварить чугун электросваркой, расскажет видеоролик ниже:
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.
Производство металла
в специальных доменных печах. Основное сырье для получения чугуна – это . Технологический процесс заключается в восстановлении оксидов железа руды и получении на выходе другого материала – чугуна. Для изготовления чугуна используются следующее топливо: кокс, природный газ и термоантрацит.
После восстановления руды железо имеет твердую форму. Далее его опускают в специальную часть печи (распар), где происходит растворение в железе углерода. На выходе получается жидкий чугун, который опускается в нижнюю часть печи.
Цена на чугун (за 1 кг) зависит от количества углерода в нем, от наличия дополнительных примесей и легирующих компонентов. Примерно цена тонны чугуна будет составлять 8000 рублей.
Области применения
- Его используют для производства деталей в машиностроении. В основном из чугуна делают блоки для двигателей и коленчатые валы. Для последних требуется усовершенственный чугун, в который добавляют специальные добавки из графита. Благодаря устойчивости чугуна к трению из него делают тормозные колодки отличного качества.
- Чугун может бесперебойно работать даже при сильно низких температурах. Поэтому его часто используют в производстве деталей машин, которым придется работать в жестких климатических условиях.
- Хорошо зарекомендовал себя чугун в металлургической области. Его ценят за относительно небольшую цену и отличные литейные свойства. Изготовленные из чугуна изделия характеризуются отличной прочностью и износостойкостью.
- Из чугуна делают большое множество сантехнических изделий. К ним можно отнести раковины, батареи, мойки и различные трубы. Особо славятся чугунные ванны и радиаторы отопления. Некоторые из них служат в квартирах по настоящее время, хотя приобретены были много лет назад. Чугунные изделия сохраняют свой первоначальный вид и не нуждаются в реставрации.
- Благодаря хорошим литейным свойствам из чугуна получают настоящие произведения искусства. Его часто применяют в изготовлении художественных изделий. Например, таких как красивые ажурные ворота или памятники архитектуры.
Выбираете ванну? Не знаете, что лучше, чугунная или стальная? Тогда это видео поможет вам:
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:
- феррито-графнтовый,
- феррито-дерлито-графитовый и
- 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 – самый распространенный железоуглеродистый нековкий литейный материал, содержащий свыше 2% углерода, до 4,5% кремния, до 1,5% марганца, до 1,8% фосфора и до 0,08% серы. В практике применяют чугуны, содержащие 3÷3,5% углерода.
Чугун обладает высокими литейными свойствами, поэтому широко используется в литейном производстве в качестве конструкционного материала. Он хорошо обрабатывается резанием. Из чугуна, имеющего невысокий коэффициент трения, изготовляют подшипники скольжения. Специально обработанный чугун (высокопрочный) по показателям качества успешно конкурирует со стальным литьем и кованой сталью.
Недостаточная прочность и большая хрупкость чугуна объясняются наличием в нем крупных включений углерода в виде графита.
Введение в жидкий чугун небольшого количества магния и церия изменили форму графита, он стал шаровидным. Чугун приобрел прочность и утратил хрупкость. Такой чугун (его называют высокопрочным) по-своему качеству не уступает конструкционным углеродистым сталям. Стойкость деталей, изготовленных из этого чугуна, увеличилась почти в три раза.
Углерод в чугунах может находиться в виде химического соединения – цементита (такие чугуны называют белыми) или частично или полностью в свободном состоянии в виде графита – (такие чугуны называют серыми).
Чугуны состоят из металлической основы (перлита, феррита) и неметаллических включений графита. Они различаются главным образом формой графитовых включений. Белый чугун имеет ограниченное применение. Некоторые отливки, от которых требуется повышенная твердость поверхностного слоя, изготовляют из отбеленного чугуна. Поверхностный слой его состоит из белого чугуна, а сердцевина – из серого. Величину и твердость отбеленного слоя регулируют путем изменения химического состава чугуна и скорости затвердевания отливки.
Чугун серый
Серый чугун широко применяется в машиностроении. Такое название он получил по серому цвету излома, обусловленному наличием в структуре чугуна свободного углерода в виде графита. По виду металлической основы различают серые чугуны перлитные, перлитно-ферритные и ферритные.
Таблица 1. Чугуны серые литейные, их основные свойства и применение
| Марка | σ в МПа | НВ | Свойства и применение |
| Сч10 | 275 | 139-274 | Малоответственные отливки с толщиной стенок до 15 мм (корпуса, крышки, кожухи и др.), детали, для которых прочностная характеристика не является обязательной,- опоки, арматуру, рамки, сковороды, декоративные детали, массивные строительные колонны, фундаментные плиты |
| СЧ15 | 314 | 160-224 | Малоответственные отливки с толщиной стенок 10 – 30 мм (трубы, корпуса клапанов, вентили при давлении – до 20 МПа и др.), корпусные малонагруженные детали, подмоторные плиты, рычаги, шкивы, маховики, емкости для масла и охлаждающей жидкости, корпуса фильтров, фланцы, крышки, звездочки цепных передач |
| СЧ18 | 354 | 167-224 | Ответственные отливки с толщиной стенок 10 – 20 мм (шкивы, зубчатые колеса, станины, суппорты и др.) |
| СЧ20 | 397 | 167-236 | Ответственные отливки с толщиной стенок до 30 мм (блоки цилиндров, поршни, тормозные барабаны, каретки и др.), для изготовления базовых корпусных деталей повышенной прочности и износостойкости, деталей, к которым предъявляются требования герметичности при давлении до 8 МПа (80 кгс/см 2), корпусов, коробок передач, шпиндельных бабок, балансиров, планшайб, гильз, кареток, цилиндров, насосов, золотников, арматуры, компрессоров |
| СЧ25 | 450 | 176-245 | Ответственные отливки с толщиной стенок до 40 мм (кокильные формы, поршневые кольца и др.), для изготовления базовых корпусных деталей повышенной прочности и износостойкости, деталей, к которым предъявляются повышенные требования к герметичности |
| СЧ3О | 490 | 177-250 | Ответственные отливки с толщиной стенок до 60 мм (поршни, гильзы дизелей, рамы, штампы и др.), для изготовления кронштейнов, салазок столов и суппортов, деталей с поверхностной закалкой, цилиндров, корпусов насосов, дизелей и двигателей внутреннего сгорания, поршневых колец, коленчатых и распределительных валов |
| СЧ35 СЧ45 | 540 | 193-264 | Ответственные высоконагруженные отливки с толщиной стенок до 100 мм (малые коленчатые валы, детали паровых двигателей и др.) деталей, для изготовления к которым предъявляются требования герметичности при давлении свыше 8 МПа |
Графит обладает низкими механическими свойствами. Он нарушает целостность металлической основы. Располагаясь между зернами металлической основы, графит ослабляет связь между ними. Поэтому серый чугун плохо сопротивляется растяжению и имеет очень низкую пластичность и вязкость. Чем крупнее и прямолинейнее графитовые включения, тем хуже механические свойства чугуна. Твердость серого чугуна, а также его сопротивление сжатию близки к показателям стали, имеющей такую же структуру, как у металлической основы чугуна.
Графит оказывает и некоторое положительное влияние на свойства чугуна, в частности, он повышает его износостойкость, действуя аналогично смазке, повышает обрабатываемость резанием, так как делает стружку ломкой, способствует гашению вибраций изделий, уменьшает усадку при изготовлении отливок.
Механические свойства серого чугуна могут быть улучшены равномерным распределением мелкопластинчатого графита в отливке. Это достигается путем специальной обработки – модифицирования, когда в жидкий чугун перед его разливкой вводят добавки, которые образуют дополнительные центры графитизации, в результате чего получается мелкопластинчатый графит. Чугун с таким графитом называют модифицированным. От обычного серого чугуна он отличается более высоким сопротивлением разрыву, однако пластичность и вязкость его при модифицировании не улучшаются.
По ГОСТ 1412-85 буквы СЧ в обозначении марки чугуна означают – серый чугун. Двузначная цифра соответствует пределу прочности при растяжении σ в МПа. Стандарт нормирует предел прочности серых чугунов σ в = 274÷637 МПа, твердость – 143÷637 НВ и химический состав.
Основные свойства серого чугуна и его применение приведены в таблице 1.
Чугун высокопрочный с шаровидным графитом
Высокопрочный чугун получают путем введения магния (до 0,9%) и церия (до 0,05%) в жидкий серый чугун перед разливкой его в формы. Основная часть этих модификаторов испаряется, окисляется и переходит в шлак, так что в твердом металле обнаруживается не более 0,01% этих элементов. Магний и церий активно удаляют из чугуна серу. Но главная роль их заключается в том, чтобы изменить чешуйчато-пластинчатую форму графита на шаровидную. После модифицирования чугуна магнием или церием в ковш добавляют 75%-ный ферросилиций (сплав железа с кремнием). В отличие от модифицированного серого чугуна высокопрочный чугун имеет более высокое содержание углерода и кремния и пониженное содержание марганца.
Металлическая основа высокопрочного чугуна состоит из феррита и перлита или только из перлита. В этом чугуне сочетаются ценные свойства стали и чугуна. Он обладает сравнительно высокой прочностью при достаточной пластичности и вязкости. Высокопрочный чугун с успехом заменяет стальное литье и даже стальные поковки, что дает большой экономический эффект. Изделия из высокопрочного чугуна благодаря его повышенной износостойкости могут работать в условиях трения. Высокопрочный чугун лучше, чем серый, сохраняет свою прочность при нагреве, поэтому может применяться для работы при температурах до 400°С (серый чугун выдерживает температуру до 250°С).
ГОСТ 7293-85 нормирует предел прочности σ в, предел текучести σ т, относительное удлинение δ и твердость НВ высокопрочных чугунов. Требования к отливкам из этих чугунов устанавливаются нормативно-технической документацией. Принцип маркировки высокопрочных чугунов (ВЧ) отличается от маркировки серых чугунов. В обозначение их марки входят два числа – первое указывает предел прочности на разрыв, второе – относительное удлинение. Например, марка чугуна ВЧ 42-12 означает, что данный чугун имеет предел прочности σ в = 412 Н/мм 2 (42 кгс/мм 2) и относительное удлинение δ =12%.
Стандарт предусматривает 10 марок высокопрочных чугунов: ВЧ 38-17, ВЧ 42-12, ВЧ 45-5, ВЧ 50-7, ВЧ 50-2, ВЧ 602, ВЧ 70-2, ВЧ 80-2, ВЧ 100-2, ВЧ 120-2. Стандарт или справочник дает дополнительные сведения об этом чугуне: предел текучести σ т = 274 Н/мм 2 (28 кгс/мм 2), твердость-140÷200 НВ.
Из высокопрочных чугунов изготовляют многие детали (в том числе фасонные), которые ранее получали из стали, базовые и корпусные детали повышенной прочности (корпуса и станины станков, крупные планшайбы, гильзы, каретки, цилиндры, кронштейны, зубчатые колеса, накладные направляющие станков и детали с поверхностной закалкой). Они заменяют стали Сталь 20Л, 25Л, ЗОЛ и 35Л.
Чугун ковкий
В структуре ковкого чугуна графит имеет хлопьевидную форму. Такой графит называют углеродом отжига. По сравнению с серым чугуном ковкий чугун обладает более высокой прочностью, пластичностью и вязкостью. Свое название он получил потому, что имеет повышенную пластичность. Ковке в прямом понимании этого слова чугун не подвергается.
Процесс получения отливок из ковкого чугуна включает две стадии: изготовление фасонных отливок из белого чугуна и отжиг полученных отливок с целью графитизации цементита. При отжиге происходит разложение цементита белого чугуна с образованием графита хлопьевидной формы. В результате этого хрупкие и твердые отливки становятся пластичными и более мягкими. В зависимости от условий и режима отжига структура чугуна может иметь ферритную (Ф), перлитную (П) и ферритно-перлитную металлическую основу. Наибольшее распространение получил пластичный ферритный ковкий чугун. Отжиг ковкого чугуна-весьма продолжительный процесс, занимающий 70-80 ч. Однако его можно ускорить путем закалки отливок из белого чугуна перед графитизацией, а также модифицированием чугуна алюминием, бором, висмутом или титаном. Существуют и другие способы ускорения процесса отжига. Использование указанных способов позволяет сократить продолжительность отжига до 35-40 ч.
Таблица 2. Чугуны ковкие, их основные свойства и применение
| Марка | НВ | Свойства и применение |
| КЧ 35-10 КЧ37-12 | 160 | Чугуны ферритного класса используют для производства деталей, эксплуатируемых при высоких динамических и статических нагрузках (картеров, редукторов, ступиц, крюков, скоб, задних мостов, кронштейнов) |
| КЧ 30-6 | 160 | Для изготовления менее ответственных деталей (хомутов, гаек, вентилей, деталей сельскохозяйственных машин, глушителей, фланцев, муфт, тормозных деталей, педалей, гаечных ключей, колодок, кронштейнов) |
| КЧ 45-7 | 203 | Ковкие чугуны перлитного класса марок обладают высокой прочностью, умеренной пластичностью и хорошими антифрикционными свойствами. Из них получают вилки карданных валов, шестерни, червячные колеса, поршни, подшипники, звенья и ролики конвейерных цепей, втулки, муфты, тормозные колодки, коленчатые валы |
| КЧ 50-5 | 226 | |
| КЧ 55-4 | 236 | |
| КЧ 60-3 | 264 | |
| КЧ 65-3 | 264 | |
| КЧ 70-2 | 280 | |
| КЧ 80-1,5 | 314 |
По ГОСТ 1215-79 маркируется ковкий чугун по тому же принципу, что и высокопрочный. Например, марка чугуна КЧ 33-8 означает, что данный чугун имеет предел прочности σ в = 32.4 Н/мм 2 (33 кгс/мм 2) и относительное удлинение δ =8 %.
Отливки из ковкого чугуна можно получить с сечением до 55 мм. При большем сечении в сердцевине отливок образуется пластинчатый графит и чугун становится не пригодным для отжига. В машиностроении чаще применяют высокопрочный чугун, который получают при менее сложных и более дешевых технологических процессах, чем процессы производства ковкого чугуна.
Основные свойства ковкого чугуна и его применение приведены в таблице 2.
Чугун легированный
Свойства чугуна можно улучшить путем введения в его расплав легирующих элементов, оказывающих благоприятное влияние не только на его металлическую основу, но также на форму и размеры графитных включений, способствующих значительному измельчению структуры чугуна.
Требования к легированным чугунам для отливок с повышенной жаростойкостью, коррозионной стойкостью, износостойкостью или жаропрочностью регламентированы ГОСТ 7769-82. По основному легирующему элементу чугуны со специальными свойствами подразделяют на пять видов: хромистые, кремнистые, алюминиевые, марганцевые и никелевые, маркируется легированный чугун по тому же принципу, что и высокопрочный. Буква Ч означает чугун, буква Ш – шаровидная форма графита, буквы русского алфавита, соответствующие легирующим химическим элементам, и цифры после букв означают приблизительное содержание легирующих элементов в целых процентах. Например, марка чугуна ЧХ16 означает, что данный легированный чугун содержит хрома 16%.
Основные свойства легированного чугуна и его применение приведены в таблице 3.
Таблица 3. Чугуны легированные, их основные свойства и применение
| Марка | σ в, МПа | σ и, МПа | НВ | Свойства и применение | |||||
| ЧХ1 | 170 | 350 | 203÷ | Повышенная коррозионная стойкость в газовой, воздушной и щелочной средах в условиях трения и износа, жаростойкий в воздушной среде, выдерживает температуру до 773 К (500°С). Предназначен для изготовления холодильных плит доменных печей, колосников агломерационных машин, деталей коксохимического оборудования, сероуглеродных реторт, деталей газотурбинных двигателей и компрессоров, горелок, кокилей, стеклоформ, выхлопных коллекторов дизелей | |||||
| ЧХ2 ЧX3 | 150 | 310 | 223÷ | Жаростойкость в воздушной среде – до 873 К (600°С), у чугуна ЧХ2 и чугуна ЧX3 – до 973 К (700°С); эти чугуны применяют для производства колосников балок горна агломерационных машин, деталей контактных аппаратов химического оборудования, решеток трубчатых печей нефтеперерабатывающих заводов, деталей турбокомпрессоров, стекломашин и термических печей, электролизеров, облицовочных плит и др. | |||||
| ЧХЗТ | 200 | 400 | 440÷ | Обладает повышенной стойкостью против абразивного износа и истирания; используют для изготовления деталей гидромашин, перекачивающих абразивные смеси, и футеровки (внутренней облицовки) пылепроводов | |||||
| ЧХ9Н5 ЧX16М2 | 350÷ | 490÷ | 700÷ | Высокая стойкость этих чугунов против абразивного износа и истирания обусловила возможность их применения при изготовлении мелющих деталей угле- и рудоразмольных мельниц, ковшей пескометов, дробеметов | |||||
| ЧX16 | 350 | 700 | 390÷ | Жаростойкий в воздушной среде, выдерживает температуры до 1173 К (900°С), износостойкий при нормальной и повышенной температурах, устойчивый против воздействия неорганических кислот большой концентрации. Изготовляют арматуру для химического машиностроения, печную арматуру, детали цементных печей | |||||
| ЧX22 ЧХ28Д2 | 290÷ | 540÷ | 390÷ | Высокоустойчивые против абразивного износа и истирания, поэтом используются для производства размольного оборудования, грохотов и склизов, агломерационных машин, песко- и дробеструйных камер, работающих при повышенных температурах; кроме того, из таких чугунов изготовляют вставки для армирования брусьев вторичной зоны охлаждения установок непрерывной разливки стали, детали угле- и рудоразмольных мельниц, ковшей, пескометов и дробеметов | |||||
| ЧХ22С | 290 | 540 | 333÷ | Повышенная коррозионная стойкость при температурах до 1273 К (1000°С) в случае применения его в запыленных газовых средах, высокой кислотостойкостью и сопротивлением межкристаллитной коррозии; из него изготовляют детали, не подвергающиеся действию постоянных и переменных нагрузок, детали аппаратуры, работающей в условиях действия концентрированных азотной и фосфорной кислот, печной аппаратуры | |||||
| ЧХ28 ЧX34 | 290÷ | 560÷ | 245÷ | Высокая коррозионная стойкость в растворах кислот (азотной, серной, фосфорной, соляной, уксусной, молочной и др.), щелочей и солей (азотнокислом аммонии, сульфате аммония, хлорной извести, хлорном железе, селитре); а также в газах, содержащих серу или SО 2 , Н 2 О, жаростойкие, выдерживают температуры до 1373÷1423 К (1100÷1150 °С), хорошо сопротивляются абразивному износу; производят детали, работающие при небольших механических нагрузках в среде SО 2 и SОз, в щелочах высокой концентрации, азотной кислоте, растворах и расплавах солей при температурах до 1273 К (1000°С), детали центробежных насосов, печной арматуры, реторты для цементации, сопла горелок, цилиндры, корпуса золотников, гребни обжиговых колчеданных печей, сопла для пескоструйных аппаратов, а также другие детали, подверженные абразивному истиранию | |||||
| ЧХ28П | 200 | 400 | 245÷ | Стойкость после окислительного отжига в цинковых расплавах при температурах до 823 К (550°С), из него получают детали пар трения, работающие в цинковом расплаве агрегатов горячего непрерывного цинкования | |||||
| ЧС5 ЧС5Ш | 150÷ | 290 | 140÷ | Жаростойкость в топочных газах и воздушной среде, выдерживают температуры до 973 ÷ 1073 К (700 и 800°С); из чугуна марки ЧС5 изготовляют колосники, бронеплиты для печей обжига, используемых в цементной промышленности, сероуглеродные реторты, а из чугуна марки ЧС5Ш – топочную арматуру котлов, детали пароперегревателей котлов, газовые сопла, подовые плиты термических печей | |||||
| ЧС13 ЧС15 ЧС17 | 100÷ | 210÷ | 294÷ | Высокая коррозионная стойкость чугуна при температурах до 473 К (200°С), устойчивы к воз- действию концентрированных и разбавленных кислот, растворов щелочей, солей (кроме фтористоводородных и фтористых соединений), не допускают резких переменных, а также ударных нагрузок и перепада температур; из них производят отливки простой конфигурации, детали центробежных и поршневых насосов, компрессоров и трубопроводной арматуры, трубы, фасонные детали для трубопроводной арматуры, теплообменников и другие детали химической аппаратуры | |||||
| ЧС15М4 ЧС17МЗ | 60 | 140÷ | 390÷ | Высокая коррозионная стойкость чугуна к серной, азотной и соляной кислотам разной концентрации и температуры, водным растворам щелочей и солей при местном перепаде температур до 30 К в массе детали в случае отсутствия динамических, переменных и пульсирующих нагрузок. Применяются для тех же целей, что и чугуны перечисленных выше марок |
|||||
| ЧЮХШ ЧЮ7Х2 | 390÷ | 240÷ | 236÷ | Жаростойкие в воздушной среде чугуны, выдерживают температуры до 923 и 1023 К (650 и 750°С), стойкие против истирания; из чугуна марки ЧЮХШ изготовляют пресс-формы для стекольного производства, детали печного оборудования, ролики чистовых клетей листопрокатных станов, из чугуна марки ЧЮ7Х2 – детали печной арматуры | |||||
| 6С5 | 120 | 240 | 236÷ | Жаростойкий в воздушной среде чугун, выдерживает температуры до 1023 К (750°С), коррозионностойкий в среде, содержащей соединения серы, стойкий к резким сменам температур; рекомендуют для производства отливок, работающих при температурах до 1073 К (800 °С) | |||||
| ЧЮ22Ш | 290 | 490 | 235÷ | Жаростойкий в среде, содержащей серу, сернистый газ, окислы ванадия и пары воды, жаростойкий в воздушной среде при температурах до 1373 К, отличается высокой прочностью при нормальной и повышенной температурах; предназначен для изготовления деталей арматуры котлов, пароперегревателей, обжиговых колчеданных печей, нагревательных кольцевых печей, колосников агломерационных машин | |||||
| ЧЮ30 | 200 | 350 | 356÷ | Жаростойкий в воздушной среде чугун, выдерживает температуры до 1373 К. (1100 °С), стойкий против износа; из этого чугуна получают детали для обжиговых колчеданных печей | |||||
| ЧГ6СЗШ ЧГ7Х4 | 496÷ | 680÷ | 490÷ | Высокая стойкостью в абразивной среде и против истирания в пыле- и пульпопроводах, мельницах и т. п., из них изготовляют детали мелющего оборудования и насосов, футеровки мельниц, дробе- и пескоструйных камер | |||||
| ЧГ8ДЗ | 150 | 330 | 176÷ | Немагнитный износостойкий чугун, применяется в условиях повышенных температур; из него изготовляют немагнитные детали и сопряженные трущиеся детали арматуры | |||||
| ЧНХТ ЧНХМД ЧН2Х | 280÷ | 430÷ | 196÷ | Высокие механические свойства, хорошо сопротивляющиеся износу и коррозии в слабощелочных и газовых средах (продукты сгорания топлива, технический кислород), а также в водном растворе, чугун марки ЧН2Х, кроме того, проявляет высокую стойкость в расплавах каустика; чугун марки ЧНХТ предназначен для изготовления маслот поршневых компрессионных и масло- съемных колец, седел, направляющих втулок клапанов дизелей и газомотокомпрессоров, деталей сглаживающих прессов и размольных мельниц бумагоделательных машин; из чугуна марки ЧНХМД отливают блоки и головки цилиндров, выхлопных патрубков двигателей внутреннего сгорания, паровых машин и турбин, поршни и гильзы цилиндров паровых машин, тепловозных и судостроительных дизелей, детали кислородных и газовых мотокомпрессоров, детали бумагоделательных машин; чугун марки ЧН2Х служит для производства зубчатых колес различных типов, цилиндров двигателей, абразивных дисков, дросселей, холодильных цилиндров и валов бумагоделательных, картоноделательных и сушильных машин, матриц штамповочных прессов | |||||
| ЧНМШ | 490 | 183÷ | δ = 2, высокие механические свойства и термостойкость чугуна при температурах до 773 К (500°С); применяется для изготовления крышек и днищ цилиндров дизелей, головок поршней, маслот поршневых колец, холодильных цилиндров и валов бумагоделательных, картоноделательных и сушильных машин | ||||||
| ЧН4Х2 | 290 | 490 | 215÷ | высокая стойкость против абразивного износа и истирания; предназначен для изготовления износостойких деталей машин, перекачивающих абразивные смеси, футеровки мельниц, пылепроводов, размалывающих валков и шаров, сопел, склизов и грохотов | |||||
| ЧН15ДЗШ, ЧН15Д7, ЧН19ХЗШ ЧН11Г7И | 150 | 350 | 120÷ | Высокая коррозионная и эрозионная стойкость чугунов в щелочах, слабых растворах кислот, серной кислоте любой концентрации при температурах более 323 К, в морской воде, в среде перегретого водяного пара, обладают высоким коэффициентом термического расширения, могут быть магнитными при низком содержании хрома, чугуны марок ЧН19ХЗШ и ЧН11Г7Ш, кроме того, обладают прочностью при температурах до 873 К (600°С); из чугунов марок ЧН15ДЗШ и ЧН15Д7 производят детали насосов, вентилей и другой аппаратуры для нефтеперерабатывающей промышленности, а также арматуростроения, немагнитные отливки для электротехнической промышленности, гильзы цилиндров, головки поршней, седла и направляющие втулки клапанов, выхлопные коллекторы двигателей внутреннего сгорания; чугуны марок ЧН19ХЗШ и ЧН11Г7Ш применяют при изготовлении выпускных коллекторов, клапанных направляющих, корпусов турбонагревателей газовых турбин, головок поршней, корпусов насосов, вентилей и немагнитных деталей | |||||
| ЧН20Д2Ш | 500 | 120÷ | δ = 25, высокие механические свойства при температурах до 173 К и высокой ударной вязкостью (не менее 3 Дж/см 2) на образцах с острым надрезом, может быть пластически деформирован в холодном состоянии; предназначен для изготовления насосов и деталей аппаратуры, используемой в нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности, а также деталей топливной арматуры. |
Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита (Fe3C) или графита. Цементит имеет светлый цвет, обладает большой твердостью и трудно поддается механической обработке. Графит, наоборот, темного цвета и достаточно мягок. В зависимости от того, какая форма углерода преобладает в структуре, различают: 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.).
Белый чугун - вид чугуна, в котором углерод в связанном состоянии находится в виде цементита, в изломе имеет белый цвет и металлический блеск. В структуре такого чугуна отсутствуют видимые включения графита и лишь незначительная его часть (0,03-0,30 %) обнаруживается тонкими методами химического анализа или визуально при больших увеличениях. Отливки белого чугуна обладают износостойкостью, относительной жаростойкостью и коррозионной стойкостью. Прочность белого чугуна снижается, а твердость увеличивается с увеличением содержания в нём углерода.
Белый чугун очень тверд, почти не поддается механической обработке и поэтому не применяется для изготовления деталей, а используется для переделки в сталь и для изготовления деталей из ковкого чугуна. Такой чугун называется также передельным.
Серый чугун – 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. Отдельной разновидностью (группой марок) серого чугуна является высокопрочный чугун с графитом глобулярной (шаровидной) формы, что достигается путем его модифицирования магнием (Mg), церием (Ce) или другими элементами.
Серый чугун характеризуется высокими литейными свойствами (низкая температура кристаллизации, текучесть в жидком состоянии, малая усадка) и служит основным материалом для литья. Он широко применяется в машиностроении для отливки станин станков и механизмов, поршней, цилиндров.
Высокая хрупкость, свойственная серым чугунам вследствие наличие в их структуре графита, делает невозможным их применение для деталей, работающих в основном «на растяжение» или «на изгиб»; чугуны используются лишь при работе «на сжатие».
Серый чугун маркируется буквами СЧ, после которых указывают гарантированное значение предела прочности в кг/мм², например СЧ30. Высокопрочные чугуны маркируются буквам ВЧ, после которых указывают прочность и, через тире, относительное удлинение в процентах, например ВЧ60-2.
Ковкий чугун –условное название мягкого и вязкого чугуна, получаемого из белого чугуна отливкой и дальнейшей термической обработкой. Используется длительный отжиг, в результате которого происходит распад цементита с образованием графита, то есть процесс графитизации, и поэтому такой отжиг называют графитизирующим.
Ковкий чугун, как и серый, состоит из сталистой основы и содержит углерод в виде графита, однако графитовые включения в ковком чугуне иные, чем в обычном сером чугуне. Разница в том, что включения графита в ковком чугуне расположены в форме хлопьев, которые получаются при отжиге, и изолированны друг от друга, в результате чего металлическая основа менее разобщена, и чугун обладает некоторой вязкостью и пластичностью. Из-за своей хлопьевидной формы и способа получения (отжиг) графит в ковком чугуне часто называют углеродом отжига. Ковкий чугун получил свое название из-за повышенной пластичности и вязкости (хотя обработке давлением не подвергается).
Ковкий чугун обладает повышенной прочностью при растяжении и высоким сопротивлением удару. Из ковкого чугуна изготовляют детали сложной формы: картеры заднего моста автомобилей, тормозные колодки, тройники, угольники и т. д.
Маркируется ковкий чугун двумя буквами и двумя числами, например КЧ 370-12. Буквы КЧ означают ковкий чугун, первое число-предел прочности (в МПа) на разрыв, второе число - относительное удлинение (в процентах), характеризующее пластичность чугуна.
Высокопрочный чугун – чугун, имеющий графитные включения сфероидальной формы. Графит сфероидальной формы имеет меньшее отношение его поверхности к объему, что определяет наибольшую сплошность металлической основы, а следовательно, и прочность чугуна.
Высокопрочный чугун наиболее часто применяется для изготовления изделий ответственного назначения в машиностроении, а также для производства высокопрочных труб (водоснабжение, водоотведение, газо-, нефте-проводы). Изделия и трубы из Высокопрочного чугуна отличаются высокой прочностью, долговечностью, высокими эксплуатационными свойствами.