Чугун. Виды, классификация, характеристики чугунов.

Классификация чугунов

Чугун, выплавляемый в доменных печах, по своей физико-химической природе может быть различным в зависимости от перерабатываемой железной руды.
Практика показала, что если железная руда в своем составе имеет высокое содержание марганца, то получается чугун со структурой цементита. Этот чугун получил название белого. Белый чугун является основным сырьем в производстве стали. В связи с этим он получил название передельного чугуна.

Если чугун имеет структуру перлит + ледебурит или ледебурит + цементит, то такой чугун называется половинчатым.

Если переплавляется железная руда с низким содержанием марганца, но с высоким содержанием кремния, то выплавляемый в доменных печах чугун будет иметь структуру феррит + перлит. Такие чугуны получили название литейных серых чугунов.

Белый передельный чугун идет на переработку в сталь в конвертерах, дуговых и индукционных печах, а также мартеновских печах. Из половинчатого чугуна путем длительного отжига получают ковкий чугун. Высокопрочные и специальные чугуны получают путем введения в литейный серый чугун модификаторов, находящихся в расплавленном состоянии. Литейный серый чугун используют в основном при производстве отливок для машиностроения и станкостроения.

Кроме указанных групп чугунов в последнее десятилетие XX в. в России (ОАО «Тулачермет») освоен выпуск чугуна с повышенной чистотой по содержанию вредных примесей и других химических элементов. Этот чугун получил название нодулярного чугуна (например, ПВК-Н — чугун повышенного качества нодулярный).

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.

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.

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

Белый чугун получается при переработке железных руд с повышенным содержанием марганца. В изломе этот чугун имеет мелкозернистое или игольчатое строение матово-белого цвета. Весь углерод, как правило, с массовой долей 6,67 % находится в химически связанном состоянии в форме цементита в поверхностных слоях отливки.

Белый чугун очень хрупкий, практически не поддается обработке резанием, его твердость достигает 700 … 800 НВ. Из-за высокой твердости и хрупкости белый чугун как конструкционный материал прямого применения не имеет. В некоторых случаях свойства высокой твердости и износостойкости структуры белых чугунов (цементита) создают искусственно в поверхностных слоях деталей. Эта операция называется отбеливанием поверхности деталей и отливок. Операция отбеливания достигается высокой скоростью охлаждения. Например, с целью получения высокой твердости на глубину до 5 мм отбеливают поверхность валков прокатных станов, лемехи плугов, шары мельниц, коленчатые валы дизелей и другие детали.

Структура белого чугуна неустойчивая. При высоких температурах цементит распадается на аустенит и свободный углерод (графит). Температура плавления белого чугуна составляет 1 600 °С.

Белый чугун выпускается в виде чушек весом 40 кг, которые идут на производство стали в мартеновских и других печах, или в жидком состоянии (в этом случае чугун хранится в специальных емкостях (миксерах), из которых затем поступает в конвертеры для производства стали).

Половинчатый чугун — это низкосортный белый чугун, в котором часть углерода находится в химически связанном состоянии в виде цементита, а часть — в виде свободного углерода (графита) или механических смесей в зависимости от массовой доли углерода (рис. 1). Так, чугун с массовой долей углерода, равной 4,3 %, — эвтектический, имеет структуру ледебурита (механическая смесь цементита и феррита). Заэвтектический чугун (более 4,3 % углерода) имеет структуру перлит + цементит + графит. Доэвтектический чугун (менее 4,3 % углерода) имеет структуру перлит + ледебурит + графит.

Половинчатый чугун имеет очень высокие механические свойства, но хрупкий, поэтому этот чугун прямого применения в литейном производстве не находит.

Рис. 1. Микроструктура половинчатого чугуна: 1 — перлит; 2 — цементит; 3 — ледебурит

Благодаря наличию в структуре свободного углерода, а также неустойчивых структур ледебурита и цементита половинчатый чугун является сырьем для производства ковких и специальных чугунов.

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.

Литейный серый чугун

Литейный серый чугун свое название получил благодаря высоким литейным свойствам (жидкотекучесть и низкая усадка), а также из-за темно-серого цвета. В изломе имеет крупнозернистое строение. Мягкий, хорошо подвергается обработке резанием. Твердость литейных серых чугунов составляет 140 … 260 НВ. Предел прочности при растяжении σв  100 … 450 МПа (10 … 45 кгс/мм2). Относительное удлинение δ  0,2 … 0,5 %. В отечественном машиностроении до 74 % всех ответственных отливок получают из литейного серого чугуна. По микроструктуре литейные серые чугуны подразделяются на ферритно-графитные, ферритно-перлитные и перлитные (рис. 2). Углерод в этих чугунах находится в свободном состоянии в виде графита. Чем больше массовая доля углерода, тем больше в сером чугуне структуры графита и ниже его механические свойства, поэтому максимальное содержание углерода ограничено его доэвтектическими пределами, т. е. не более 4 %, а практически до 3,7 %.

Снижение содержания углерода понижает его литейные свойства. В связи с этим устанавливается нижний предел по массовой доле углерода. Он равен примерно 2,2 %. Нижний предел принимается для толстостенных отливок, верхний — для тонкостенных.

Доменные цеха выпускают серый чугун в виде чушек, которые поставляются в литейные цеха машиностроительных заводов.

Литейный серый чугун состоит из железа, углерода, а также других химических элементов, поэтому не является двухкомпонентным сплавом. Кроме углерода в своем составе он содержит кремний, марганец, серу и фосфор. Кремний и марганец влияют на процесс графитизации, образование микроструктуры и механические и технологические свойства отливок из серого чугуна.

Углерод влияет на свойства чугуна в зависимости от формы соединения с железом, т. е. от структуры, которая образуется в сплаве. На образование структур в совокупности влияют условия плавки и охлаждения, а также наличие сопутствующих химических элементов: марганца, кремния и незначительно серы и фосфора. Кремний с массовой долей 3 … 5 % в серых чугунах способствует выделению углерода в виде графита. Изменяя массовую долю кремния, можно получить отливки с различной структурой, а с изменением структуры изменяются и механические свойства чугуна. Например, чугун со структурой в виде пластинчатого графита имеет относительное удлинение δ = 0,2 … 1,1 %, а чугун со структурой графита хлопьевидной формы имеет относительное удлинение δ = 5… 10 %. Кремний способствует образованию микроструктуры графита, придает чугуну ряд ценных механических, технологических и эксплуатационных свойств, улучшает обрабатываемость резанием. Кроме того, графитовые включения (пористые, мягкие) быстро гасят вибрации, колебания и рассеивают по массе несущих деталей ударные нагрузки. Детали из чугуна нечувствительны к механическим повреждениям. Благодаря структуре графита серый чугун обладает высокими антифрикционными свойствами. В этом случае графит действует как смазывающее вещество. Благодаря перечисленным свойствам кремний является постоянным и обязательным элементом в литейных серых чугунах.

Рис. 2. Микроструктуры литейных серых чугунов: а — ферритно-графитная; б — ферритно-перлитная; в — перлитная

Марганец препятствует графитизации чугуна, отбеливает его, способствует образованию структуры измельченного перлита (феррит + цементит), улучшая механические свойства. Массовая доля марганца в серых чугунах колеблется в пределах 0,2 … 1,1 %, при этом прочность, износостойкость и твердость повышаются. При большем содержании марганца происходит уменьшение структуры перлита и феррита, увеличение структуры цементита, и чугун становится твердым, но хрупким.

Сера — вредная примесь. Она оказывает отрицательное действие на механические и литейные свойства серых чугунов, понижает жидкотекучесть, увеличивает усадку, способствует образованию трещин. Массовая доля серы для мелкого литья — 0,08 %, для крупного литья, в котором не требуется повышенная жидкотекучесть, — 0,10 … 0,12 %.

Фосфор в литейных чугунах является полезной примесью, так как он увеличивает жидкотекучесть. Кроме того, фосфор способствует образованию такой структуры, которая повышает общую твердость и износостойкость отливок. Высокое содержание фосфора (до 0,7 %) повышает хладостойкость чугуна, поэтому в отливках, работающих при нагрузках, массовая доля фосфора может достигать 0,3 %, а в отливках, работающих без нагрузок (художественное и бытовое литье), — 0,7 %.

На образование микроструктуры и графитизацию фосфор влияния не оказывает. На практике по структурным диаграммам в зависимости от массовой доли углерода и кремния в чугуне определяют его приблизительную микроструктуру в отливках с толщиной стенок 50 мм.

Согласно ГОСТ 1412—87 существуют следующие марки серого чугуна: СЧ10, СЧ15, СЧ18, СЧ20, СЧ21, СЧ24, СЧ25, СЧ30, СЧ35, СЧ40 и СЧ45, где буквы СЧ означают литейный серый чугун, а цифры — предел прочности при растяжении. Например, чугун марки СЧ15 имеет прочность при растяжении 150 МПа (15 кгс/мм2).

Таким образом, литейные серые чугуны имеют высокие механические свойства (σв — до 450 МПа (45 кгс/мм2) и также высокие технологические свойства (литейные свойства, обрабатываемость резанием и др.). Кроме того, как уже отмечалось, литейный серый чугун обладает способностью гасить и рассеивать вибрации и нагрузки. Это свойство называется демпферным свойством. Оно широко используется в станкостроении. Из литейного серого чугуна, обладающего демпферным свойством, отливают станины станков, машин и другие несущие конструкции, которые позволяют создавать точность и жесткость системы станок—приспособление — инструмент— деталь (СПИД).

Главными технологическими свойствами являются высокая жидкотекучесть и обрабатываемость резанием. Отливки из литейного серого чугуна хорошо поддаются обработке на различных металлорежущих станках: точению, фрезерованию, строганию, сверлению, шлифованию и шабрению. В связи с широким диапазоном механических свойств (прочности и твердости) этот чугун находит применение в различных отраслях экономики. Например, низкосортный серый чугун применяется для изготовления отливок, работающих без нагрузок (бытовое и художественное литье, грузы, подставки, крышки, пробки, плиты, фланцы и др.). Литейный серый чугун с пределом прочности 200 МПа и более применяется для отливок деталей, работающих при средних нагрузках (трубы, станины, кронштейны, корпуса редукторов и др.). Чугун с пределом прочности 300 МПа и более применяется для деталей, работающих при высоких нагрузках (корпуса подшипников, шкивы, зубчатые и червячные пары, блоки цилиндров, головки блоков, поршни, диски сцепления, корпуса насосов, цилиндры паровых турбин, коленчатые валы, звездочки, тормозные барабаны и др.).

Что представляет собой

Чугун – это сплав на основе железа. Относится к группе чёрных металлов.
Чёрные металлы – это железо, сплавы на его базе (стали, чугуны, ферросплавы), марганец. По некоторым классификациям в группу зачисляют хром.

По составу чугун – это конгломерат железа, углерода плюс другие металлы. Такие же базовые компоненты могла бы содержать формула стали.

Разница между этими сплавами – в количестве углерода. Если его меньше 2,14% – это сталь. Больше – чугун.

Другие компоненты – лигатуры и примеси (сера, кремний, фосфор, марганец).

Углерод в структуре чугуна представлен включениями графита либо цементита (карбида железа, формула – Fe3C).

Отличить чугун от стали можно визуально. Сталь светлее и блестит, чугуны темные матовые.

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.

Ковкий чугун

Ковким чугуном называют чугун, полученный из белого (половинчатого) чугуна путем длительного отжига (томления). Схема получения ковкого чугуна представлена на рис. 3.

Рис. 3. Схема получения ковкого чугуна путем отжига (томления) половинчатого чугуна: 1 — кривая получения ковкого ферритного чугуна; 2 — кривая получения ковкого перлитного чугуна; t — температура; τ — время; Ас1 — критическая температура (эвтектоид)

Процесс получения ковкого чугуна заключается в следующем. В вагранках или электропечах расплавляют низкосортный (половинчатый) белый чугун, затем разливают его в земляные или металлические формы. После охлаждения отливки удаляют из форм и помещают в ящики с измельченной железной рудой или окалиной. Ящики нагревают в печах до температуры 900 … 1 000 °С, выдерживают 6 —10 сут. В процессе этой термической операции (томления) углерод из цементита диффундирует к поверхности детали, превращаясь в свободный углерод в виде графита (углерод отжига), а часть его выгорает.

В настоящее время внедрена технология ускоренного отжига отливок белого чугуна на ковкий чугун. Суть этой технологии заключается в проведении предварительной термической обработки отливок: нормализации или закалки и отпуска. Этими операциями достигается возможность получения большего числа центров кристаллизации, что приводит к более быстрому распаду цементита в углерод отжига и значительно уменьшает продолжительность процесса получения ковкого чугуна.

Закалку проводят при температуре 820 … 950 °С и охлаждают в минеральном, веретенном или трансформаторном масле. Отпуск проводят при температуре 400 °С. При второй стадии окончательного отжига при температуре 950 °С продолжительность сокращается до 5 ч.

В практике применяют также ступенчатый отжиг: отливки охлаждают с 950 до 760 °С в течение 2 … 3 ч, с 760 до 680 °С в течение 8 … 10 ч, затем осуществляют охлаждение на воздухе.

Современное ускоренное получение ковкого чугуна осуществляется в две стадии. Первая стадия — нагрев отливок в соляных ваннах или расплавленных металлах при 1 050 … 1 100 °С и выдержка 1 … 2 ч; вторая — нагрев до 700 °С и выдержка в течение 4 ч. Весь процесс также длится 5 … 7 ч. В результате отжига в отливках структура ледебурита и цементита переходит в структуру графита хлопьевидной формы (углерод отжига). По сравнению с исходным чугуном твердость отливок ковкого чугуна понижается, хрупкость устраняется, прочность повышается, и отливки приобретают высокую пластичность (до 12 %) и ударную вязкость. Благодаря высокой пластичности этот чугун получил название ковкого чугуна, однако ковке этот чугун не подвергается, особенно его нельзя ковать (деформировать) в горячем состоянии, так как по границам зерен в горячем состоянии чугун приобретает хрупкость, появляются микротрещины. После ковки отливки становятся хрупкими. Отливки из ковкого чугуна подвергаются незначительному деформированию в холодном состоянии, гнутся, вытягиваются, рихтуются.

Структура ковкого чугуна в виде хлопьевидного графита обладает более высокой твердостью, прочностью и пластичностью по сравнению с серыми литейными чугунами. Как показала практика, отливки из половинчатого чугуна, подвергаемые отжигу на ковкий чугун, должны быть диаметром не более 40 … 50 мм. При сечении более 50 мм в сердцевине образуется очень твердая и хрупкая структура пластинчатого графита.

Отливки из ковкого чугуна имеют следующее содержание примесей: углерода — 2,4 … 2,9 %, кремния — 1,0 … 1,6 %, марганца — 0,2 … 1,0 %, серы — до 0,2 % и фосфора — до 0,18 %.

Структура в отливках ковкого чугуна в зависимости от режимов отжига может быть ферритной или ферритно-перлитной (рис. 4). Структуру феррита и углерода отжига получают ступенчатым отжигом. Отливки, полученные при ступенчатом отжиге, имеют пластичность до 12 %.

Рис. 4. Микроструктуры ковкого чугуна: а — ферритная (черно-сердечная); б — ферритно-перлитная (светло-сердечная)

Отливки на ковкий перлитный чугун производят путем длительного отжига при температуре примерно 1 000 °С. После первой стадии графитизации проводят медленное непрерывное охлаждение до нормальной температуры. После охлаждения в отливках образуется структура перлита и углерода отжига. Структура перлита обусловливает более высокие механические свойства деталей, прочность и твердость. Во время отжига в отливках снимаются литейные напряжения.

Согласно ГОСТ 1215—79** выпускают следующие марки ковкого чугуна: КЧ 30-6, КЧ 30-8, КЧ 35-10, КЧ 37-12, КЧ 45-7, КЧ 50-3, КЧ 50-4, КЧ 60-3, КЧ 65-3, КЧ 70-2, КЧ 80-1,5, где КЧ — ковкий чугун; первые цифры обозначают предел прочности при растяжении, цифры после дефиса — относительное удлинение.

Ковкие чугуны идут на изготовление деталей небольших сечений, работающих при тяжелых условиях: абразивном изнашивании, ударных и знакопеременных нагрузках, в автомобильном, тракторном и текстильном машиностроении, котло-, вагоно- и дизелестроении.

Высокая прочность и плотность отливок ковкого чугуна дает возможность их широкого применения в качестве водопроводных, газопроводных установок и аппаратуры.

Недостаток ковких чугунов — это высокая стоимость отливок из-за длительного отжига и металлургических агрегатов со специальным оборудованием.

Для изменения микроструктуры отливок из ковкого чугуна после механической обработки их подвергают различным видам термической обработки: нормализации, закалке и последующему отпуску. В процессе термической обработки меняется металлическая основа отливок, после чего повышаются твердость, износостойкость, прочность и ударная вязкость.

Токарная обработка чугуна: особенности

Чугунные детали пользуются большой популярностью в машиностроении. Однако обработка этого металла сопряжена с рядом сложностей

Важно правильно подобрать инструмент, чтобы достичь максимальной производительности

Основные проблемы

Наибольшее количество хлопот доставляют повышенная твёрдость чугуна, а также сильный нагрев во время обработки этого материала.

Причем в зависимости от состава сплава обрабатываемость чугуна может сильно варьироваться. Если обработка наименее прочных серого и ковкого чугунов в целом не вызывает проблем, то обработка остальных видов чугунов сопровождается сложностями, поэтому к каждому виду чугуна необходимо подходить индивидуально.

Инструмент по обработке чугуна должен обладать предсказуемой надёжностью при высоких скоростях резания, несмотря на то, что при резании разных видов этого металла механизм износа токарных пластин будет отличаться. Есть ли универсальный инструмент для токарной обработки чугуна и какими характеристиками он должен обладать?

Специфика токарного инструмента по чугуну

Для обработки чугуна идеальным инструментом будут пластины из прочных мелкозернистых твёрдых сплавов. Они отличаются повышенной прочностью и износостойкостью даже при растачивании в тяжелых условиях. Чтобы песок и другие включения, характерные для чугунных сплавов, не изнашивали токарные пластины, пользуйтесь инструментом, сочетающим в себе износостойкость и низкий уровень хрупкости.

При изготовлении большого количества чугунных изделий стоит отдавать предпочтение пластинам со специальными покрытиями, облегчающими теплоотвод. Например, с покрытием оксида алюминия. Тогда износ инструмента будет заметно ниже.

Что касается геометрии, то для облегчения резания чугуна выбирайте пластины без задних углов, а передний – должен иметь отрицательный или небольшой положительный угол.

Резание чугуна: особенности

Неравномерный припуск на чугунных деталях и наличие литейной корки – основные проблемы при токарной обработке. Поэтому во время обдирки чугунных деталей весь слой до чистого металла необходимо снимать за один проход, чтобы резец оставался в пределах литейной корки. Это позволит избежать абразивного износа инструмента.

Графит в составе чугуна, высвобождаясь во время обработки, сильно пылит. А стружка образуется мелкая и сыпучая. Чтобы температура не увеличивалась из-за налипшей стружки и пыли, стоит регулярно очищать оборудование.

«Сухая» или «мокрая» обработка?

При «мокром» резании с применением смазочно-охлаждающей жидкости образуется чугунная пыль, но зато уменьшается риск температурной деформации заготовок. СОЖ усиливает температурные колебания, ведет к термическим трещинам и выкрашиванию пластин. Поэтому предпочтительнее обрабатывать «на сухую». Это позволит свести к минимуму температурные колебания на режущей кромке и увеличить срок эксплуатации инструмента.

В любом случае чугун является довольно абразивным материалом, поэтому его обработка требует в три раза больше времени, чему, например, стали, так как требуется занижать режимы резания. Неправильный выбор токарного инструмента является причиной быстрого затупления режущей кромки, и, как следствие, ужасного качества обработки поверхности.

Во всем мире большой популярностью для обработки чугуна пользуются токарные пластины компании Kennametal, которые представлены в нашем каталоге.

Актуальные цены и наличие на складе этих пластин представлены в нашем онлайн каталоге.

Как обрабатывается чугун токарным инструментом Kennametal можно увидеть на видео:

Высокопрочный чугун

Отечественная наука и практика разработали технологию получения отливок из серого литейного чугуна со структурой в виде шаровидного графита. Этот чугун, по сравнению с обычным серым литейным чугуном, обладает высокими механическими свойствами, сочетая в себе свойства стали и чугуна. Конструкционный материал, применяемый для литья деталей и изделий со структурой шаровидного графита, получил название высокопрочного чугуна. Технология получения высокопрочного чугуна заключается в следующем. Перед разливкой в форму в жидкий чугун, находящийся в разливочном ковше, вводят присадки магния в пределах 0,03 … 0,07 % от общей массы расплава. Этот процесс называется модифицированием. Модифицирование чистым магнием вызывает вспышку, поэтому магний вводят в испаритель (металлические или графитовые коробки с отверстиями) в виде лигатуры — сплавов магния с кремнием или никелем. В процессе модифицирования литейного серого чугуна в расплавленном состоянии при охлаждении отливок изменяется микроструктура (рис. 5).

Рис. 5. Микроструктура чугуна до модифицирования — перлит (а) и после модифицирования — шаровидный графит (б)

Получаемая микроструктура шаровидного графита не ослабляет металлические основы отливки. После модифицирования в чугунных отливках в несколько раз увеличивается твердость, прочность и ударная вязкость по сравнению с исходным материалом.

По ГОСТ 26358—84 выпускаются следующие марки высокопрочного чугуна: ВЧ 38-17, ВЧ 42-12, ВЧ 45-5, ВЧ 50-2, ВЧ 50-7, ВЧ 60-2, ВЧ 70-2, ВЧ 80-2, ВЧ 100-2, ВЧ 120-2. Буквы ВЧ означают высокопрочный чугун, цифры после букв — предел прочности при растяжении, через дефис — относительное удлинение. Например, чугун ВЧ 50-2 имеет предел прочности при растяжении σв = 500 МПа (50 кгс/мм2), а относительное удлинение δ = 2 %.

Отдельные марки высокопрочного чугуна имеют твердость до 370 НВ, предел прочности при растяжении σв = 1 200 МПа (120 кгс/мм2).

Государственный стандарт предъявляет требования к механическим свойствам отливок из высокопрочного чугуна в зависимости от марок по следующим характеристикам: предел прочности при растяжении, предел текучести и относительное удлинение.

Для улучшения механических свойств отливки из высокопрочного чугуна подвергают различным видам термической обработки: закалке с последующим отпуском, отжигу и нормализации. Отливки из высокопрочного чугуна имеют высокую обрабатываемость резанием.

Массовая доля химических элементов в высокопрочных чугунах следующая: углерода — 2,7 … 3,6 %, кремния — 1,5 … 3,8 %, марганца — 0,3 … 0,7 %, серы — 0,01 … 0,02 %, фосфора — 0,1 %. Массовая доля этих элементов колеблется в зависимости от сечения отливок.

По структуре высокопрочные чугуны бывают ферритные (феррит + шаровидный графит), ферритно-перлитные (феррит + перлит + шаровидный графит) и перлитные (перлит + шаровидный графит). На рис. 5, а представлена микроструктура серого литейного чугуна марки СЧ30 (σв = 300 МПа (30 кгс/мм2), твердость — 181 … 255 HB) до модифицирования, на рис. 5, б — микроструктура отливки, полученная после модифицирования серого литейного чугуна марки СЧ30 — высокопрочный чугун марки ВЧ 70 (σв = 700 МПа (70 кгс/мм2), твердость — 229 … 300 HB). Как видим, модифицирование серого литейного чугуна в процессе отливки изделий резко улучшает механические характеристики отливок.

Высокопрочные чугуны имеют высокие литейные свойства: жидкотекучесть практически всех марок высокопрочных чугунов — до 600 мм, усадка в отливках — до 1 мм. Ликвация у этих чугунов практически отсутствует. Кроме того, отливки из высокопрочных чугунов имеют высокую обрабатываемость резанием (точением, фрезерованием, шлифованием и др.), высокие упрочняемость и прокаливаемость. С целью изменения (исправления) структуры отливки из высокопрочных чугунов подвергаются различным видам термической обработки.

Важным эксплуатационным свойством деталей, изготовленных из высокопрочных чугунов, является их прирабатываемость в узлах трения и давления (траверса пресса, шобот ковочного молота и т. д.). В турбостроении из высокопрочного чугуна изготавливают корпуса паровых турбин, лопатки направляющих аппаратов, в тракторо- и дизелестроении — коленчатые валы, поршни и др. Например, коленчатый вал легкового автомобиля «Волга» отливают из высокопрочного чугуна марки ВЧ 70-2. При модифицировании магнием в этот чугун добавляют ферросилиций, который придает детали свойства стали и чугуна.

Высокопрочные чугуны находят широкое применение в автотранспортном машиностроении, в производстве прокатного, кузнечно-прессового, подъемно-транспортного и камнедробильного оборудования взамен крупногабаритного стального литья, поковок и штамповок весом до 48 т (табл. 1).

Виды чугунных сковородок

Такие сковородки постоянно усовершенствуют. Помимо традиционных изделий из чугуна, похожих на те, что использовали наши бабушки, есть сковороды с современными покрытиями. В зависимости от обработки поверхности отличаются свойства и характеристики посуды.

Без покрытия

Простые чугунные сковородки — недорогой вид утвари. Пищу в них можно мешать ложкой, не боясь поцарапать поверхность. Отсутствие защитного слоя говорит еще и о безопасности посуды: она не выделяет вредных веществ во время готовки.

Внешний вид таких сковородок не слишком привлекательный: они черного цвета с толстыми стенками и значительным весом.

Современные чугунные изделия без покрытия изготавливаются не по старинным технологиям. Базовое отличие в методах производства состоит в том, что сейчас утварь проходит тщательную спецобработку. В результате создается естественное масляное покрытие на дне предмета.

В момент нагревания сковороды до высокой температуры слой полимеризованного жира распадается и образует специальное вещество, похожее на полимер. Соединение проникает в поры чугуна, поэтому к посуде ничего не пригорает.

С покрытием

Чтобы улучшить свойства чугунных сковородок, их покрывают специальными составами. По виду покрытия бывают эмалированными и с антипригарными свойствами.

Первый вид устойчив к коррозии и жестким чистящим средствам. Такую утварь можно мыть в посудомоечной машине, в ней дольше хранится пища. Сковороды покрывают эмалью в несколько слоев, в результате создается привлекательный белый или кремовый цвет. Недостатки посуды — пища в ней пригорает, поверхность не устойчива к сколам и трещинам.

Антипригарное покрытие представляет собой химическое напыление, которое не позволяет еде пригорать. Основной минус таких сковородок заключается в их непродолжительном сроке службы. Такую посуду сложно назвать безопасной: во время жарки напыленный слой отдает пище содержащиеся в нем вредные вещества.