Сегодня почти нет ни одной сферы жизни человека, где бы не применялся чугун. Этот материал известен человечеству уже достаточно давно и превосходно зарекомендовал себя с практической точки зрения. Чугунное литье – основа великого множества деталей, узлов и механизмов, а в некоторых случаях даже самодостаточное изделие, способное выполнять возложенные на него функции. Поэтому в данной статье мы уделим самое пристальное внимание данному железосодержащему соединению. Также выясним, какие бывают виды чугуна, их физические и химические особенности.
Определение
Чугун – это поистине уникальный сплав железа и углерода, в котором Fe более 90%, а C — не более 6,67%, но и не менее 2,14%. Также углерод может находиться в чугуне в виде цементита или же графита.
Углерод дает сплаву достаточно высокую твёрдость, однако, вместе с тем, понижает ковкость и пластичность. В связи с этим чугун является хрупким материалом. Также в определенные марки чугуна добавляют специальные присадки, которые способны придать соединению определенные свойства. В роли легирующих элементов могут выступать: никель, хром, ванадий, алюминий. Показатель плотности чугуна равен 7200 килограмм на метр кубический. Из чего можно сделать вывод, что вес чугуна – показатель, который никак нельзя назвать маленьким.
Состав
Что такое чугун? Это сплав из железа, углерода и разнообразных примесей, благодаря которым он обретает необходимые свойства. Материал должен иметь в своем составе не менее 2,14% углерода. В противном случае, это будет сталь, а не чугун. Именно благодаря углероду чугун обладает повышенной твердостью. Вместе с тем, данный элемент снижает пластичность и ковкость материала, придавая ему хрупкость.
Кроме углерода, в состав чугуна в обязательном порядке входят: марганец, кремний, фосфор и сера. В некоторые марки также вносят дополнительные присадки, для придания материалу специфических свойств. Среди часто используемых легирующих элементов можно отметить: хром, ванадий, никель и алюминий.
Историческая справка
Выплавка чугуна уже достаточно давно известна человеку. Первые упоминания о сплаве датируются шестым веком до нашей эры.
В Китае в древние времена получали чугун с довольно низкой температурой плавления. В Европе чугун стали получать примерно в 14 веке, когда впервые начали использовать доменные печи. На тот момент такое чугунное литье шло на производство оружия, снарядов, деталей для строительства.
На территории России производство чугуна активно началось в 16 столетии и далее быстро расширялось. Во времена Петра I Российская империя по объему производства чугуна смогла обойти все государства мира, однако уже через сто лет начала снова сдавать свои позиции на рынке черной металлургии.
Чугунное литье использовалось для создания разнообразных художественных произведений ещё в эпоху Средневековья. В частности, в 10 веке китайские мастера отлили поистине уникальную фигуру льва, вес которого превысил 100 тонн. Начиная с 15 века на территории Германии, а после и в других странах литье из чугуна получило широчайшее распространение. Из него делали оградки, решетки, парковые скульптуры, садовую мебель, надгробия.
В последние годы 18 века чугунное литье максимально задействовано в архитектуре России. А 19 столетие так и вообще прозвали «чугунным веком», так как сплав очень активно использовался в зодчестве.
Особенности
Существуют различные виды чугуна, однако средняя температура плавления этого металлического соединения составляет порядка 1200 градусов Цельсия. Этот показатель на 250-300 градусов меньше, чем требуется для выплавления стали. Такая разница связана с достаточно высоким содержанием углерода, что приводит к его менее тесным связям с атомами железа на молекулярном уровне.
В момент выплавки и последующей кристаллизации углерод, содержащийся в чугуне, не успевает полностью проникнуть в молекулярную решётку железа, и потому чугун в итоге получается довольно хрупким. В связи с этим он не применяется там, где имеют место постоянные динамические нагрузки. Но при этом он отлично подходит для тех деталей, которые имеют повышенные требования к прочности.
Первый этап производства
Выплавка чугуна происходит следующим образом. В первую очередь в печь засыпают руду, а также коксующиеся марки угля, которые служат для нагнетания и поддержания требуемой температуры внутри шахты печи. Помимо этого, эти продукты в процессе горения активно принимают участие в протекающих химических реакциях в роли восстановителей железа.
Параллельно в печь отгружается флюс, служащий в качестве катализатора. Он помогает породам быстрее расплавляться, что содействует скорейшему высвобождению железа.
Важно заметить, что руда перед загрузкой в печь подвергается специальной предварительной обработке. Ее измельчают на дробильной установке (мелкие частицы быстрее плавятся). После она промывается с целью удаления частиц, не содержащих металл. После чего сырье обжигают, за счет этого из него удаляется сера и прочие чужеродные элементы.
Область применения
Этот сплав используют в следующих отраслях: машиностроение, станкостроение, судостроение. Из него производят некоторые элементы бытовых изделий. В машиностроении из него изготавливают: детали грузовых и легковых автомобилей, тракторов, комбайнов и другой сельскохозяйственной техники. Применение легирующих добавок позволяет получать специально заданные свойства. Например, используют при изготовлении плит с различной формой поверхности.
Отливка из белого чугуна
Отбелённый чугун имеет достаточно ограниченную область применения. Из него производят детали несложной конфигурации. Например: шары для мельниц, колеса различного назначения, детали для прокатных станов.
Широкое применение он получил при производстве деталей таких крупных агрегатов, как гидравлические и формовочные машины, другие промышленные механизмы этого направления. Специфическая особенность их работы заключается в том, что они постоянно подвергаются воздействию абразивного материала.
Второй этап производства
В загруженную и готовую к эксплуатации печь подают природный газ через специальные горелки. Кокс разогревает сырье. При этом выделяется углерод, который соединяется с кислородом и образует оксид. Этот оксид впоследствии принимает участие в восстановлении железа из руды. Отметим, что с увеличением количества газа в печи скорость протекания химической реакции снижается, а при достижении определённого соотношения и вовсе останавливается.
Избыток углерода проникает в расплав и входит в соединение с железом, формируя в конечном счете чугун. Все те элементы, которые не расплавились, оказываются на поверхности и в итоге удаляются. Эти отходы именуют шлаком. Его также можно использовать для производства других материалов. Виды чугуна, получаемые таким образом, называются литейным и передельным.
Белый чугун
Таким чугуном называется тот, у которого практически весь углерод химически связан. В машиностроении этот сплав применяется не очень часто, потому что он твёрдый, но очень хрупкий. Также он не поддается механической обработке различными режущими инструментами, а потому используется для отливания деталей, которые не требуют какой-либо обработки. Хотя этот вид чугуна допускает шлифование абразивными кругами. Белый чугун может быть как обыкновенным, так и легированным. При этом сварка его вызывает затруднения, поскольку сопровождается образованием различных трещин во время охлаждения или нагрева, а также по причине неоднородности структуры, формирующейся в точке сварки.
Белые износостойкие чугуны получают за счет первичной кристаллизации жидкого сплава при скоротечном охлаждении. Чаще всего они используются для работы в условиях сухого трения (например, тормозные колодки) или для производства деталей, обладающих повышенной износостойкостью и жаростойкостью (валки прокатных станов).
Кстати, белый чугун получил свое название благодаря тому, что внешний вид его излома – светло-кристаллическая, лучистая поверхность. Структура этого чугуна представляет собой совокупность ледебурита, перлита и вторичного цементита. Если же данный чугун подвергают легированию, то перлит трансформируется в троостит, аустенит или мартенсит.
Что представляет собой серый чугун?
Соответствующий тип чугуна относится к самым распространенным в сфере машиностроения. Данный металл характеризуется наличием в шлифе графита пластинчатой формы. Его содержание в сером чугуне может быть разным. Чем оно больше, тем более темным становится металл на изломе, а также тем мягче чугун. Отливки из рассматриваемого типа металла могут выпускаться любой толщины.
Основные особенности серого чугуна:
- минимальное относительное удлинение — как правило, не превышающее 0,5 %;
- невысокая ударная вязкость;
- низкая пластичность.
В сером чугуне имеется небольшой процент связанного углерода — не более 0,5 %. Оставшаяся часть углерода представлена в виде графита — то есть в свободном состоянии. Серый чугун может выпускаться на перлитной, ферритной, а также смешанной — феррито-перлитной — основе. В рассматриваемом металле, как правило, присутствует значительный процент кремния.
Серый чугун достаточно легко поддается обработке посредством режущих инструментов. Данный металл используется при отливе изделий, которые оптимальны с точки зрения сопротивления сжатию. Например, различных опорных элементов, батарей, водопроводных труб. Распространено применение серого чугуна и в машиностроении — чаще всего при изготовлении деталей, для которых не характерны ударные нагрузки. Например, корпусов для станков.
Половинчатый чугун
Классификация чугунов будет неполной, если не упомянуть об этой разновидности металлического сплава.
Для указанного чугуна характерно сочетание карбидной эвтектики и графита в его структуре. В целом же, полноценная структура имеет следующий вид: графит, перлит, ледебурит. Если же чугун подвергнуть термической обработке или легированию, то это приведет к образованию аустенита, мартенсита или игольчатого троостита.
Этот вид чугуна достаточно хрупок, поэтому его применение весьма ограничено. Само же название сплав получил потому, что его излом – сочетание темных и светлых участков кристаллического строения.
Самый распространенный машиностроительный материал
Серый чугун ГОСТ 1412-85 содержит в своем составе около 3,5% углерода, от 1,9 до 2,5% кремния, до 0,8% марганца, до 0,3% фосфора и менее 0,12% серы.
Графит в таком чугуне имеет пластинчатую форму. При этом не требуется специального модифицирования.
Пластинки графита имеют сильно ослабляющее действие и потому серому чугуну характерны очень низкая ударная вязкость и практически полное отсутствие относительного удлинения (показатель составляет мене 0,5%).
Серый чугун хорошо подвергается обработке. Структура сплава может быть следующей:
- Феррито-графитовой.
- Феррито-перлито-графитовой.
- Перлито-графитовой.
На сжатие серый чугун работает гораздо лучше, нежели на растяжение. Также он довольно хорошо сваривается, но для этого требуется предварительный подогрев, а в качестве присадочного материала следует использовать специальные чугунные стержни с высоким содержанием кремния и углерода. Без предварительного разогрева сварка будет затруднена, поскольку будет происходить отбеливание чугуна в зоне шва.
Из серого чугуна производят детали, работающие при отсутствии ударной нагрузки (шкивы, крышки, станины).
Обозначение данного чугуна происходит по такому принципу: СЧ 25-52. Две буквы сигнализируют о том, что это именно серый чугун, число 25 – показатель предела прочности при растяжении (в Мпа или кгс/мм2), число 52 – предел прочности в момент изгиба.
«Серый» чугун
Серый чугун содержит до 3,5% углерода в своём составе. Причём этот неметалл представлен в графитовой своей форме (то есть в виде гексагональных пластинчатых двумерных кристаллов). Кроме того, ГОСТ 1412 предусматривает включение в состав таких веществ, как:
Кремний (до 2,5%). Улучшает литейные свойства, повышает мягкость, но при этом находится в недостаточных для снижения устойчивости к деформациям пропорциях;
Марганец (до 0,8%). Повышает прочность, формирует устойчивые внутренние напряжения, которые увеличивают устойчивость к внешним механическим воздействиям;
Фосфор (до 0,3%). Вредная примесь, от которой, тем не менее, не удаётся полностью избавиться при производстве. Впрочем, кон минимальны.
В целом состав материала обеспечивает превосходную устойчивость и износостойкость. Именно поэтому он наиболее широко используется в тяжёлом машиностроении для производства деталей, не подвергающихся ударным воздействиям. Также его применяют для изготовления конструкционных элементов станков.
Интересной особенностью «серого» является его текучесть при литье. Поэтому ещё одна сфера его применения – это изготовление художественных изделий. Различные чугунные заборы со сложной геометрией и текстурой, элементы витражей и декоративные изделия – всё это изготавливается именно из данного сплава.
Кроме того, он податлив для обработки резанием.
С другой стороны, механическая прочность его достаточно средняя. При ударных нагрузках и подобных воздействиях деталь может треснуть или расколоться. Его редко используют для отливки «ответственных» функциональных узлов и конструкционных элементов, что также обусловлено небольшой прочностью.
Зато «серый материал» устойчив к сжатию и выдерживает даже серьёзные нагрузки. Как следствие, он используется в производстве колонн, канализационных, водопроводных и отопительных труб, станин станков и поршней двигателей.
Достоинства
Прочность на сжатие, позволяющая использовать детали под нагрузкой;
Механическая устойчивость и износостойкость;
Текучесть при литье.
Недостатки
Низкая прочность, из-за чего конструкция плохо переносит ударные нагрузки;
В бытовой среде серый чугун практически не применяется, да и в производстве он чаще используется для дальнейшего преобразования в ковкие, износостойкие и пластичные варианты. После легирования другими примесями он также может использоваться для изготовления посуды.
Высокопрочный чугун
Чугун с шаровидным графитом принципиально отличается от других своих «собратьев» тем, что в нем содержится графит шаровидной формы. Она получается за счет введения в жидкий сплав специальных модификаторов (Mg, Се). Количество графитных включений и их линейные размеры могут быть различными.
Чем хорош шаровидный графит? Тем, что такая форма минимально ослабляет металлическую основу, которая, в свою очередь, может быть перлитной, ферритной или перлитно-ферритной.
Благодаря применению термической обработки или легирования основа чугуна может быть игольчато-трооститной, мартенситной, аустенитной.
Марки высокопрочного чугуна бывают различны, но в общем виде обозначение его таково: ВЧ 40-5. Легко догадаться, что ВЧ – это высокопрочный чугун, число 40 – показатель предела прочности при растяжении (кгс/мм2), число 5 – относительно удлинение, выражаемое в процентах.
Чугун серый и белый: условия образования
Чугуны являются тройными сплавами железо-углерод-кремний. Различают четыре основных типа чугунов: — серый чугун; — белый чугун; — ковкий чугун; — чугун с шаровидным графитом.
Химический состав этих четырех типов чугунов представлен в таблице ниже.
Таблица – Четыре основных типа чугунов
Серый чугун – графит, белый чугун — цементит
В сером чугуне формируется графитная эвтектика — углерод находится в нем с основном в форме графита, тогда как в белом чугуне образуется цементитная эвтектика и углерод находится в основном в виде цементита Fe3C.
Влияние кремния на тип эвтектики в чугунах
Добавление кремния позволяет графиту образовываться более легко, особенно при формировании непосредственно из жидкой фазы. Возможно, что более правильно было бы даже сказать, что добавка кремния делает более трудным образование цементита Fe3C.
На рисунке 1 показано как кремний снижает температуру эвтектики аустенит-цементит и в то же время поднимает температуру эвтектики аустенит-графит.
Рисунок 1 – Изменение эвтектических температур графита и цементита Fe3C с увеличением содержания кремния в чугуне от 0 до 2 %
По рисунку 1 для сплава железо-углерод с содержанием кремния 2 % существует две эвтектические температуры: 1163 ºС при образовании графита и 1120 ºС при образовании цементита. В процессе охлаждения сплава жидкость между дендридами продолжает обогащаться углеродом пока температура до тех пор, пока не образуется одна из этих эвтектик.
Конкуренция между графитом и цементитом
Между двумя типами эвтектик происходит своего рода конкуренция зато, какая из них образуется первой. Эта конкуренция включает три важных фактора:
1) Обе типа эвтектик до начала формирования эвтектики требуют некоторого переохлаждения ниже их эвтектических температур, которые показаны на рисунке 1. 2) Величина переохлаждения возрастает с ростом скорости охлаждения. 3) Величина переохлаждения для образования эвтектики аустенит-цементит меньше, чем та, что требуется для образования эвтектики аустенит-графит.
Медленное охлаждение — серый чугун
Предположим, что междендритная жидкость охлаждается до 1130 ºС и при этом ни одна из эвтектик не сформировалась. Затем жидкость охлаждается еще на 33 ºС – с 1163 до 1130 ºС. Этого переохлаждения достаточно для образования графитной эвтектики. Для образования цементитной эвтектики этого охлаждения не достаточно, так как температура жидкости не опустилась ниже 1120 ºС. Поэтому в этих условиях цементитная эвтектика не может образоваться. Теоретически переохлаждения 33 ºС достаточно для образования графитной эвтектики и в результате этого получается серый чугун.
Быстрое охлаждение — белый чугун
Представим, что охлаждение того же железоуглеродистого сплава с 2 % кремния ведется быстрее, так, что необходимая величина переохлаждения для образования графитной эвтектики увеличивается с 33 до 53 ºС. Это значит, что графитная эвтектика не будет образовываться, пока междендритная жидкость не достигнет 1110 ºС. Однако при температуре 1110 ºС жидкость переохлаждается на 10 ºС температуры цементитной эвтектики 1120 ºС. Поскольку для формирования цементитной эвтектики достаточно небольшого переохлаждения – менее 10 ºС – этот сплав затвердеет как белый чугун.
Практика производства чугунов
Эти «теоретические» выкладки подтверждают практические рекомендации для производства серого и белого чугунов: 1) При одном и том же химическом составе чугуна он будет белым чугуном при быстром охлаждении или серым чугуном при медленном охлаждении. 2) Повышенное содержание кремния в чугуне способствует образованию серого чугуна. Различие графитной и цементитной эвтектических температур снижается с 43 ºС для содержания кремния 2 % до только 6 ºС в чугуне совсем без кремния. 3) В чугуне без кремния, как правило, образуется белый чугун. Это происходит потому, что междендритная жидкость раньше достигает переохлаждения для «белой эвтектики», чем для «серой эвтектики».
Ковкий чугун
Структура ковкого чугуна заключается в наличии в нем графита в хлопьевидной или шаровидной форме. При этом хлопьевидный графит может иметь различную дисперсность и компактность, что, в свою очередь, оказывает непосредственное влияние на механические свойства чугуна.
В промышленности ковкий чугун производится зачастую с ферритной основой, которая обеспечивает большую пластичность.
Внешний вид излома ферритного ковкого чугуна имеет черно-бархатистый вид. Чем выше количество перлита в структуре, тем светлее будет становиться излом.
В целом же, ковкий чугун получается из отливок белого чугуна благодаря длительному томлению в печах, нагретых до температуры 800–950 градусов Цельсия.
На сегодняшний день есть два способа изготовления ковкого чугуна: европейский и американский.
Американский метод заключается в томлении сплава в песке при температуре 800-850 градусов. В этом процессе графит располагается между зернами чистейшего железа. В итоге чугун приобретает вязкость.
В европейском методе отливки томятся в железной руде. Температура при этом составляет около 850-950 градусов Цельсия. Углерод переходит в железную руду, за счет чего поверхностный слой отливок обезуглероживается и становится мягким. Чугун становится ковким, а сердцевина сохраняет хрупкость.
Маркировка ковкого чугуна: КЧ 40-6, где КЧ — это, разумеется ковкий чугун; 40 – показатель прочности при растяжении; 6 – относительное удлинение, %.
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.
Прочие показатели
Что касается разделения чугунов по прочности, то здесь применяется следующая классификация:
- Обычная прочность: σв до 20 кг/мм2.
- Повышенная прочность: σв = 20 — 38 кг/мм2.
- Высокая прочность: σв = 40 кг/мм2 и выше.
По пластичности чугуны разделяются на:
- Непластичные – относительное удлинение менее 1%.
- Малопластичные – от 1% до 5%.
- Пластичные – от 5% до 10%.
- Повышенной пластичности – более 10%.
В заключение также хотелось бы обязательно отметить, что на свойства любого чугуна довольно существенное влияние оказывает даже форма и характер заливки.
