Чугун – это сплав железа и углерода. Один из самых широко распространенных видов – это серый чугун. Объем углерода в его составе превышает 2,14% и содержится в диапазоне от 2,4 до 4,2%.
Свое название материал получил по цвету излома, имеющего серый цвет.
По сути, это литьевой чугун с вкраплениями пластинчатого графита. Но и, тем не менее, его продолжают называть серым. Кстати, такой же цвет можно увидеть и на изломе ковкого чугуна. Металлурги установили зависимость между объемом свободного углерода, но не от его формы.
В сером чугуне углерод по мере охлаждения приобретает форму хлопьевидных или пластинчатых вкраплений. Разница между чугуном и сталью заключена в объеме углерода. Углерод абсолютно полностью растворяется в стали и не содержится в виде вкраплений, в сером чугуне содержатся вкрапления углерода называемыми графитом.
Основные характеристики
Чугун широко распространен и востребован черной металлургией. Его производят путем воссоздания железной руды при поддержке углеродного топлива (кокса). В процессе реакции восстановления, полученный расплав получает дополнительную порцию углерода.
Именно, объем углерода, находящийся в свободном состоянии, определяет механические параметры этого чугуна. Одно из свойств, позволяющее применять этот материал не только как передельный металл, но и как литьевой – это довольно высокие литейные качества и малая усадка при застывании отливки. У серого чугуна отмечается высокая текучесть, и это позволяет отливать довольно сложные изделия.
Существует и ограничение на применение изделий полученных из этого чугуна – оно обусловлено тем, этот материал имеет невысокую прочность на изгиб и высокую хрупкость. Но с другой стороны, его отличает высокая прочность на сжатие.
Этот материал отличает и стойкость к износу. Это допускает применять его в узлах, работающих в условиях высокого трения. В таких условиях сильное воздействие оказывают антифрикционные параметры серого чугуна.
Большой объем углерода понижает плотность серого чугуна, она равна от 6,8 до 7,3 тонны на м3.
Включения углерода не позволяют выполнять неразъемные соединения из заготовок, выполненных из серого чугуна, с помощью сварки. Но, тем не менее, разработаны и применяют технологии сварочных работа, которые можно проводить при соблюдении ряд условий. В этот набор входят предварительный нагрев заготовок, применение специализированных электродов с высоким содержанием углерода. Плавное охлаждение шва, это необходимо для удаления напряжений в сварном шве. Но в любом случае, его структура заметно отличается от основного материала.
Свойства серого чугуна
Серый чугун
обладает хорошими литейными свойствами (жидкотекучесть, малая объёмная усадка и т.п.) и применяется для изготовления отливок.
Для деталей из серого чугуна
характерна малая чувствительность к влиянию внешних концентраторов напряжения при циклических нагрузках, высокий коэффициент поглощения колебаний при вибрациях деталей (в 2-4 раза выше, чем у стали), высокие антифрикционные свойства (наличие графита улучшает условия смазывания при трении).
Перлитный серый чугун
обладает также достаточно высокими прочностными свойствами.
Временное сопротивление (или предел прочности) серого чугуна σв зависит от толщины стенок отливки (рисунок С-2
).
Серый чугун очень хрупок из-за пластинчатой формы графитных включений, которые действуют, как многочисленные надрезы в чугуне. Значения предела прочности серого чугуна: 100 МПа для СЧ 10; 350 МПа для СЧ 35.
Улучшить свойства серого чугуна можно при помощи специальных модификаторов.
Маркировка
Металлургические комбинаты производят несколько марок этого материала. Его маркировку осуществляют следующим образом. Две буквы в начале аббревиатуры обозначают тип чугуна, маркировка серого чугуна начинается с СЧ, цифры, которые расположены после букв, говорят о пределе прочности во время растяжения
Принята следующая классификация серого чугуна:
- СЧ10 — ферритный;
- СЧ15, СЧ18, СЧ20 — ферритно-перлитные чугуны;
- начиная с СЧ25 — перлитные чугуны.
Хромистый чугун для банных печей
Однако не стоит забывать, что большинство производителей в качестве исходного сырья используют чугунный лом и при выплавке чугуна не контролируют химический состав. Именно поэтому при изготовлении ответственных изделий из чугуна следует обращаться к проверенным производителям, которые готовы предоставить сертификат соответствия либо результат химического анализа.
Чугунная болванка является наиболее оптимальным теплоносителем в банных печах. Особенно в банных печах каменках с прямым нагревом камней. По сравнению с традиционными камнями чугун имеет ряд неоспоримых преимуществ:
- Долговечность — как следствие экономичность
- Высокая прочность
- Высокая теплоемкость
Чугун — это сплав железа с углеродом с содержанием углерода более 2.14%. Наиболее распространённой маркой чугуна является СЧ10-СЧ20. Большинство отливок печного и художественного литья отливаются именно из этих марок.
СЧ — расшифровывается как серый чугун (ГОСТ1412−85) — чугун, с ферритной металлической основой (СЧ10) и графитовыми включениями в виде пластин. Он обладает высокой жидкотекучестью, малой усадкой, хорошими механическими свойствами и может быть выполнен в любых плавильных агрегатах. СЧ10-СЧ20 широко применяется в машиностроении для отливки станин станков и механизмов, поршней, цилиндров.
Однако серый чугун при высоких температурах имеет повышенную склонность к окислению.
Дело в том, что углерод в сером чугуне находится в виде графита (рисунок 1), который имеет крайне низкую плотность и является каналом для проникновения окислительного газа. Графит может вступать во взаимодействие с окислительным газом или вовсе выгорать.
Рисунок 1 — микроструктура серого чугуна (СЧ10)
На практике происходит следующее: болванки из серого чугуна разогревают до температур порядка 500 — 700 °C, и затем обильно поливают водой. Взаимодействие с водой приводит к сильному термическому удару. Пары воды, являясь агрессивной средой, и, взаимодействуя с болванкой из серого чугуна — разрушают болванку изнутри.
Подавляющее большинство чугунных изделий для бани, точнее, для банных печей (бруски, ядра), представленных сегодня на российском рынке, выполнены именно из самого дешевого серого чугуна. Поэтому так много негативных отзывов о результатах его использования. Но марок чугуна огромное количество и, как будет показано ниже, крайне важен правильный выбор изделий именно определенных марок для достижения наилучшего результата!
Крайне не рекомендуется использовать болванки из серого чугуна в качестве теплоносителей в бане!
Наиболее целесообразно использование чугунов именно с добавлением хрома — хромистых чугунов (ГОСТ 7769−82) в качестве теплоносителей бани.
По своей структуре хромистый чугун принципиально отличается от серого. В чугунах с добавлением хрома углерод выделяется в виде цементита. Цементит является очень твёрдой и плотной структурой, за счёт чего не снижается общая плотность чугуна и не происходит внутреннего окисления (разрушения) чугуна.
Легирование чугуна малыми добавками хрома (не более 4%) повышает окалиностойкость за счёт измельчения графита и уменьшения его количества в структуре.
Низкохромистые чугуны марки ЧХ1, ЧХ2, ЧХ3 содержат от 0.4 до 3% хрома и характеризуются более высокой жаростойкостью, чем обычные серые чугуны. Эти чугуны должны иметь перлитную структуру металлической основы с пластинчатым графитом. Однако по мере повышения содержания хрома в чугунах появляются включения эвтектического цементита. Для предотвращения образования цементита увеличивают содержание кремния и углерода, модифицируют чугун.
Чугуны с содержанием свыше 4−7% Cr — белые чугуны. Большая часть хрома входит в состав цементита, а при нагреве чугуна — металлическая основа окисляется с образованием оксидов типа Fe2О3, не препятствующих дальнейшему окислению чугуна.
Существенное повышение жаростойкости хромистых чугунов достигается при содержании в них хрома свыше 15%. При высоком содержании хрома при нагреве чугуна на поверхности образуется оксидная пленка (FeO Cr2О3), имеющая высокую плотность и прочное сцепление с металлической основой. В результате существенно повышается окалиностойкость чугуна. По мере повышения содержания хрома возрастает температура, при которой чугун сохраняет высокую жаростойкость (рисунок 2).
Рисунок 2 — Влияние хрома на жаростойкость чугуна
Таблица 1 — Влияние хрома на жаростойкость чугуна
| Cr, % | 15−17 (ЧХ16) | 20−25 (ЧХ22) | 20−30 (ЧХ28) | 30−36 (ЧХ32) |
| T, °C | 900 | 1000 | 1100 | 1300 |
Высокохромистые чугуны ЧХ16, ЧХ28, ЧХ32 имеют существенно более высокую жаростойкость чем низкохромистые благодаря стабильной структуре легированного белого чугуна и высокой окалиностойкости матрицы. В таблице 2 приведены химический состав и механический свойства чугунов низких и высоких марок.
Таблица 2 — Хим. состав и механические свойства жаростойких чугунов
| Марка чугуна | Содержание элементов, % | σB, МПа | σизг., МПа. | Твёрдость, HB | |||||
| С | Si | Mn | Cr | P | S | ||||
| (Не более) | (Не менее) | ||||||||
| ЧХ1 | 3.0−3.8 | 1.5−2.5 | 1.0 | 0.40−1.00 | 0.3 | 0.12 | 170 | 350 | 207−286 |
| ЧХ2 | 3.0−3.8 | 2.0−3.0 | 1.0 | 1.01−2.00 | 0.3 | 0.12 | 150 | 310 | 207−286 |
| ЧХ3 | 3.0−3.8 | 2.8−3.8 | 1.0 | 2.01−3.00 | 0.3 | 0.12 | 150 | 310 | 228−364 |
| ЧХ16 | 1.6−2.4 | 1.5−2.2 | 1.0 | 13.0−19.0 | 0.10 | 0.05 | 350 | 700 | 400−450 |
| ЧХ28 | 0.5−1.6 | 0.5−1.5 | 1.0 | 25.0−30.0 | 0.10 | 0.08 | 370 | 560 | 215−270 |
| ЧХ32 | 1.6−3.2 | 1.5−2.5 | 1.0 | 30.0−34.0 | 0.10 | 0.08 | 290 | 490 | 245−340 |
Область применения изделий из хромистого чугуна
Низкохромистые чугуны ЧХ1,2,3 жаростойки в воздушной окислительной среде при температуре до 700 °C. Высокохромистые до 1200 °C. Помимо высокой жаростойкости, высокохромистые чугуны износостойки, поэтому применяются для деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания при высоких температурах окислительных газовых сред.
Таблица 3 — Область применения хромистых чугунов
| Марка чугуна | Жаростойкость в воздушной среде до | Применение |
| ЧХ1 | 500°C | Холодильные плиты, детали газотурбинных двигателей |
| ЧХ2 | 600°C | Детали термических печей Плиты тушильных вагонов |
| ЧХ3 | 700°C | |
| ЧХ16 | 900°C | Печная арматура |
| ЧХ32 | 1100°C-1150°C |
По сравнению с серым чугуном, хромистый имеет низкую теплопроводность и теплоёмкость, т. е. хромистый чугун прогревается чуть медленнее серого.
Хромистые чугуны высоких марок также применяются для изготовления усиленных колосников.
Массивные болванки из хромистого чугуна являются идеальной заменой камням в банных печах. Фактически их срок службы в бытовых условиях не ограничен. Разовое приобретение комплекта гарантирует отсутствие проблем на долгие годы. Быстрее развалится печь, нежели выйдут из строя болванки из хромистого чугуна.
Накапливая тепло в процессе топки, чугунные изделия впоследствии отдают его ровно также, как и камни, создавая мелкодисперсный пар и не требуя ни обслуживания, ни частой замены. Стоимость разовой закладки болванок из хромистого чугуна несколько выше стоимости разовой закладки камней. Однако в случае с хромистым чугуном — это разовая покупка на всю жизнь. А в случае с камнями — покупка на год!
Следовательно, для кирпичных банных печей с прямым нагревом камней альтернативы брускам из хромистого чугуна фактически нет! Это надежные, долговечные, экологически безопасные изделия!
Это давно поняли в банях промышленного масштаба (общественных банях) где давно камни были заменены именно на болванки из хромистого чугуна.
В кирпичных банных печах каменках с опосредованным нагревом камней (где камни лежат в металлическом ящике), а также для металлических или чугунных банных печей шары или кубы из хромистого чугуна можно использовать в комбинации с натуральным камнем. Это в разы увеличит износостойкость закладки.
Состав серого чугуна и его структура
Параметры и свойства сплава напрямую зависят от режима охлаждения, дело в том, что именно во время охлаждения формируется структура материала.
В процессе медленного охлаждения происходит образование немалых кристаллов железа, а сочетание металла и углерода становится перлитным. В ходе такого охлаждения происходит не только увеличение размера кристаллов металла, но и углеродных включений. Такое сочетание приводит к тому, что перлитный материал имеет не только высокую прочность, но и повышенную хрупкость.
Оценка структуры СЧ определяет:
- размеры включений графита, измеряя в микрометрах (МКМ), их распределение, количество (в %), вид структуры металлической основы и при наличии перлита — его дисперсность.
По строению металлической основы серые чугуны делят на:
- перлитные — в составе структуры перлит и графит;
- ферритно-перлитные — феррит, перлит и графит;
- ферритные — структура состоит из феррита и графита.
Какая основа будет зависит от скорости охлаждения после затвердевания.
Для обозначения частей микроструктуры чугун этого типа используют терминологию определенную в ГОСТ 3443-87, например, пластинчатый графит обозначают буквами ПГ. Углерод включен в материал в следующих формах.
- пластинчатая прямолинейная, ее обозначают ПГФ1;
- пластинчатая завихреная — ПГФ2;
- игольчатая — ПГФ3;
- гнездообразная -ПГФ4.
Первоочередную значимость для приобретения требуемых параметров чугунной отливки имеет его структура, именно поэтому при выполнении заготовок требуется тщательное выполнение технологии плавления и заливания сырья. Для обретения требуемых параметров серого чугуна и устранения дефектов применяют операцию модификации.
В составе СЧ, в зависимости от его марки, могут входить следующие вещества:
Основа — Fe (железо), остальное:
- C (углерод) — 2,9-3,7%;
- Si (кремний) -1,2-2,6%;
- Mn (марганец) — 0,5-1,1;
- P (фосфор) не больше 0,2-0,3%;
- S (сера) не больше 0,12-0,15%.
Допустимо легирование серого чугуна с использованием таких веществ как Cr, Ni, Cu, и некоторыми другими элементами.
Кремний в составе увеличивает графитизацию углерода. Марганец несмотря на то что затрудняет графитизацию, улучшает его механические свойства.
Химический состав СЧ определен в ГОСТ 1412-85. Серый чугун производят во многих странах мира, в США аналогом этого материала считается A48-30B, в Британии BS 200 или 220, в КНР GB HT 20, в Европейском союзе EN-JL1030 FG20.
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 σв, предел текучести σт, 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 σв = 412 Н/мм2 (42 кгс/мм2) 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 σт = 274 Н/мм2 (28 кгс/мм2), 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.
Серый чугун: марки чугуна, маркировка и применение
Данный сплав всегда маркируется символами СЧ, после которых ставятся цифры, указывающие на предел прочности (кг/мм²). Так, существуют сплавы СЧ20, СЧ30 и т.д. Для высокопрочных чугунов технологи используют обозначение «ВЧ», а к цифрам, указывающим прочность, добавляется показатель относительного удлинения (%). К примеру, ВЧ50-2.
На сегодня распространение получили следующие марки чугуна: СЧ10, СЧ15, СЧ18, СЧ20, СЧ21, СЧ25, СЧ30, СЧ35.
Считается, что серый чугун наиболее дешев в производстве, к тому же на фоне его отличных литейных качеств ему находят крайне широкое применение в машиностроении. В частности, СЧ незаменим для отливки разнообразных деталей, которые в процессе эксплуатации не подвергаются большим механическим нагрузкам. Вместе с тем, для серого чугуна с перлитной металлической структурой характерна очень высокая прочность на сжатие, что позволяет отливать из этого материала высоконагруженные детали различных механизмов.
Стоит отметить, что СЧ участвует в производстве более чем 80% всех чугунных отливок. Особой востребованностью пользуется материал с пластинчатыми вкраплениями графита.
