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

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

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

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

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

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

Чем характерен белый чугун?

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

В каком состоянии находится углерод в сером чугуне?

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

Как обозначается серый чугун?

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

Чем отличается модифицированный чугун от обычного серого чугуна?

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

Каким образом получают высокопрочный чугун?

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

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

Как получают ковкий чугун?

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

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

Какие детали изготовляют из серого чугуна в краностроении?

Источник

Учебные материалы

Чугун — это сплав железа с углеродом, в котором содержание углерода больше 2,14 %.

Кроме углерода и железа, в сплаве присутствуют примеси: кремний, марганец, фосфор, сера и др. Эти примеси оказывают существенное влияние на формирование структуры сплава, а следовательно, и на механические, физические и другие свойства чугуна.

В зависимости от того, в какой форме присутствует углерод в сплавах, различают белые, серые, ковкие и высокопрочные чугуны. По химическому составу чугун делится на углеродистый и легированный.

Белыми

называют чугуны в которых углерод находится преимущественно в связанном состоянии в виде цементита Fe3С (очень небольшое количество углерода находится в составе твердого раствора). Эти чугуны, фазовые превращения которых протекают согласно диаграмме Fe-С, подразделяются на доэвтектические, эвтектический и заэвтектические. Из-за большого количества цементита белые чугуны имеют высокую твердость 450…550 НВ, хрупкие и практически не поддаются обработке резанием, поэтому в качестве конструкционных материалов практически не применяются. Их можно применять для деталей, от которых требуется высокая износостойкость поверхности. Например, изготавливают шары шаровой мельницы для размола руды и минералов.

Белые чугуны являются передельными и из них получают сталь и ковкий чугун.

Серыми

называют чугуны, в которых углерод находится преимущественно в свободном состоянии в виде пластинок графита. Графит образуется при очень малой скорости охлаждения, когда степень переохлаждения жидкой фазы невелика. Он растет из одного центра и, разветвляясь в разные стороны, приобретает форму сильно искривленных лепестков. В плоскости шлифа графит имеет вид прямолинейных или завихренных пластинок, которые представляют собой сечения графитных лепестков. В изломе эти чугуны имеют серый цвет. Механические свойства чугуна обусловлены его структурой, главным образом графитной составляющей, его количеством, формой и размерами включений.

Графит имеет низкую прочность, и его можно рассматривать как внутренние надрезы, нарушения сплошности металлической основы. С увеличением содержания углерода больше выделений графита и меньше механическая прочность чугуна. Серый чугун плохо сопротивляется растяжению, хрупкий, но обладает хорошей жидкотекучестью, малой усадкой при кристаллизации, легко обрабатывается резанием, хорошими антифрикционными свойствами (графит выполняет роль смазки), поглощает вибрацию, малочувствителен к концентраторам напряжений (надрезам, выточкам).

Удельный вес серого чугуна колеблется в пределах 6,6…7,4 г/см3 и зависит от количества углерода, степени графитизации и количественного соотношения структурных составляющих.

Теплоемкость серого чугуна также зависит от вышеперечисленных факторов и в интервале температур 0…700 0С равна 16 кал/(г∙0С). Теплопроводность равна 0,16 кал/(см∙с∙0С). Средний коэффициент линейного термического расширения в интервале температур 0…100 0С можно принять (10…11)∙106 см/(см∙0С), а в интервале температур 100…700 0С он равен 14∙106 см/(см∙0С).

Основными элементами в чугунах являются Fe-C-Si и постоянными примесями — Мn, Р, S. Кремний обладает сильным графитизирующим действием, марганец затрудняет графитизацию. Сера является вредной примесью, ухудшает литейные и механические свойства чугунов.

Фосфор является в чугунах полезной примесью, так как улучшает жидкотекучесть. Участки фосфидной эвтектики увеличивают твердость и износостойкость чугуна. Чаще всего содержание фосфора находится в пределах 0,2…0,5 %. Для отливок, от которых требуется высокая износостойкость, содержание фосфора допускается 0,7 %, а для художественного литья — до 1 %.

Наглядное представление о влиянии углерода и кремния на степень графитизации чугуна и его структуру дает структурная диаграмма (толщина стенки отливки 50 мм), приведенная на рисунок 37.

I- белый чугун; II- половинчатый чугун; III- серый чугун на перлитной основе; IV- серый чугун на ферритно-перлитной основе; V- серый чугун на ферритной основе

Рисунок 37 — Структурная диаграмма

Серый чугун маркируется буквами СЧ, после которых ставится число, показывающее гарантируемый предел прочности на растяжение в кгс/мм2

(10-1 МПа).

Ферритные чугуны

марок СЧ10, СЧ15, СЧ18 применяются для малоответственных деталей, испытывающих небольшие нагрузки. Например, фундаментные плиты, крышки, фланцы, рамы двигателей, компрессоров, шиберы и заслонки печей, корпусы фильтров и масленок, маховики, корпуса редукторов, насосов, тормозные барабаны, диски сцепления и др. Структура серых чугунов приведена на рисунок 38.

Феррито-перлитные чугуны

марок СЧ20, СЧ21, СЧ25 применяются для деталей, работающих при повышенных статических и динамических нагрузках. Например, головки цилиндров, поршни, втулки для поршневых колец паровых цилиндров, колеса центробежных насосов, станины станков, зубчатые колеса, диафрагмы, цилиндры низкого давления и выхлопные патрубки турбин.

а- на ферритной основе; б- на ферритно -перлитной основе;

в- на перлитной основе

Рисунок 38 — Структура серых чугунов

Перлитные чугуны

марок СЧ30, СЧ35, СЧ40, СЧ45 применяют для деталей, работающих при высоких нагрузках или в тяжелых условиях износа: зубчатые колеса, гильзы блоков цилиндров, распределительные валы и др. Мелкие разобщенные графитовые включения меньше снижают прочность чугунов. Измельчение графитовых включений достигается путем модифицирования жидкого чугуна ферросилицием, алюминием или феррокальцием (0,3…0,6 % от массы шихты). Отливки из серого чугуна подвергают термической обработке: для снятия внутренних напряжений — отжиг I рода (560 0С), нормализацию или закалку с отпуском для повышения механических свойств и износостойкости. Для повышения износостойкости гильз цилиндров, распределительных валов и других изделий перлитные чугуны подвергают азотированию.

Ковкими

называют чугуны, в которых углерод находится в свободном состоянии в форме хлопьев. Такая форма графита и является основной причиной высоких прочностных и пластических характеристик ковкого чугуна. Термин ”ковкий чугун” является условным, поскольку изделия из него, так же как и из любого другого чугуна, изготавливают не ковкой, а путем литья, и указывает на повышенную пластичность по сравнению с серым чугуном. Состав ковкого чугуна выдерживается в довольно узких пределах: 2,4…2,9 % С; 1,0…1,6 % Si; 0,2…1,0 % Мn; до 0,18 % Р и до 0,2 % S.

Невысокое содержание углерода в ковком чугуне необходимо по двум причинам. Во-первых, для получения высоких прочностных характеристик следует уменьшить количество графитовых включений. Во-вторых, необходимо избегать выделения пластинчатого графита при охлаждении отливок в форме (с этой же целью толщина стенки отливки не должна превышать 50 мм).

Ковкий чугун получают из белого путем отжига, который продолжается иногда до 5 суток. По структуре металлической основы (рисунок 39), которая определяется режимом отжига, ковкие чугуны бывают ферритными и перлитными.

Отжиг на ферритные чугуны проводится по режиму 1 (рисунок 40), обеспечивающему графитизацию всех видов цемента белого чугуна.

а – ферритного; б – перлитного

Рисунок 39 – Микроструктура ковких чугунов

Рисунок 40 – Схема отжига белого чугуна на ковкий

Отливки из белого чугуна загружают в металлические ящики и засыпают песком или стальными стружками для защиты от окисления и медленно нагревают до температуры 950…1000 0С. В процессе продолжительной (10…15 ч) выдержки при такой температуре происходит первая стадия графитизации. Она состоит в распаде эвтектического и избыточного вторичного цементита.

К концу первой стадии чугун состоит из аустенита и включений углерода отжига (А + Г). Затем температуру медленно снижают до 720…740 0С. При этом происходит вторая стадия графитизации.

В процессе выдержки (25…30 ч) распадается цементит перлита:

П(Ф + Ц) -> Ф + Г

и образуется ковкий чугун на ферритной основе.

Перлитный чугун получают отжигом, который проводят в окислительной среде по режиму 2 (см. рис. 40). В этом случае увеличивают продолжительность первой стадии графитизации, после которой проводят непрерывное охлаждение отливок до 20 0С. Аустенит превращается в перлит (А -> П), а графит сохраняется в структуре. Получается ковкий чугун на перлитной основе.

Ковкие чугуны маркируются буквами КЧ, после которых ставятся числа, показывающие гарантируемые предел прочности на растяжение в кгс/мм2

(10-1 МПа) и относительное удлинение в процентах. Марки ковкого чугуна:

• КЧ-30-6; КЧ 35-10; КЧ 37-12 — ферритные;
• КЧ 45-7; КЧ 60-3; КЧ 80-1,5 — перлитные.

Из этих чугунов изготавливают детали высокой прочности, работающие в тяжелых условиях износа, способные воспринимать ударные и знакопеременные нагрузки. Большая плотность отливок ковкого чугуна позволяет изготовлять детали водо- и газопроводных установок, корпуса вентилей, кранов, задвижек.

Высокопрочными

называют чугуны, в которых углерод находится в свободном состоянии в виде шаровидного графита. Их получают модифицированием магнием, который вводят в жидкий чугун в количестве 0,02…0,08 %. Ввиду того, что модифицирование чистым магнием сопровождается значительным пироэффектом, применяют сплав магния с никелем.

Чугун после модифицирования имеет следующий химический состав: 3,0…3,6 % С; 1,1…1,9 % Si;. 0,3…0,7 % Мn;. до 0,02 % S и до 0,1 % P. По структуре металлической основы чугун может быть ферритным или перлитным (рисунок 41).

а- ферритного; б- перлитного

Рисунок 41 — Микроструктура высокопрочных чугунов

Шаровидный графит — менее сильный концентратор напряжений, чем пластинчатый или хлопьевидный графит, и поэтому меньше снижает механические свойства металлической основы. Чугуны обладают высокой прочностью и некоторой пластичностью, сохраняют свою прочность до 500 0С (обычный чугун до 400 0С). Они маркируются буквами ВЧ, после которых ставится число, показывающее гарантируемый предел прочности на растяжение в кгс/мм2 (10-1 МПа). Марки высокопрочного чугуна:

• ВЧ 38; ВЧ 42; ВЧ 50 — ферритные;
• ВЧ 60, ВЧ 80; ВЧ 120 — перлитные.

Высокопрочные чугуны применяют в различных отраслях техники, эффективно заменяя сталь во многих изделиях и конструкциях. Например, корпуса паровых турбин, насосов, вентилей, лопатки направляющего аппарата, коленчатые валы, поршни и другие ответственные детали, работающие при высоких циклических нагрузках и в условиях изнашивания.

В некоторых случаях для улучшения механических свойств применяют термическую обработку отливок; для повышения прочности — закалку и отпуск при 500…600 0С; для увеличения пластичности — отжиг.

Недостатком высокопрочного чугуна является значительная объемная усадка, что приводит к появлению в отливках усадочной пористости, газовых раковин.

Легированный чугун > Дальше >

Химический состав чугуна

Чугун — это сплав железа и углерода, в котором процентное содержание углерода составляет не менее 2,14%, но не более 4,5%. Углерод входит в состав чугуна в форме цементита либо графита. Если процент содержания углерода составляет меньше 2,14%, такой сплав именуется сталью.

Известно, что чугунный сплав впервые был произведен в Китае в VI веке. В Европу секрет его производства пришел в XIV веке, а в России его состав был доведен до совершенства лишь в XVII. За все это долгое время формула чугуна не изменилась.

Самый качественный материал производился на литейном заводе братьев Демидовых, расположенном на Урале.

По прошествии веков он не только не утратил своей актуальности, но и приобрел еще более обширный спектр применения.

Особенности сплава

Главная особенность чугуна скрыта в процессе его изготовления. Дело в том, что у разных видов этого сплава температура плавления достигает 1200ºС, в то время как у стали она составляет 1500 ºС. На этот фактор влияет слишком высокое содержание углерода. Атомы железа и углерода между собой имеют не очень тесные связи.

Когда происходит выплавка, атомы углерода не могут целиком внедриться в молекулярную решетку железа, из-за чего чугунный сплав приобретает хрупкость. В связи с этим его не используют в производстве деталей, которые будут постоянно подвергаться нагрузке.

Этот материал относится к отрасли черной металлургии и по своим характеристикам схож со сталью. Изделия из чугуна и стали нашли широкое применение в повседневной жизни, и оно является целиком оправданным.

Если сравнивать характеристики этих металлов, можно сделать следующие заключения:

Состав и структура металла

Чугун в качестве структурного материала представлен металлической полостью с графитными включениями. Основными его компонентами выступают перлит, ледебурит и пластичный графит. Интересно, что в различных видах сплавов эти элементы присутствуют в неодинаковых пропорциях либо могут совсем отсутствовать.

По своей структуре чугунный сплав разделяется на следующие разновидности:

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

Производственные технологии

Как известно, чугун производится в специальных доменных печах. Основным сырьем для его получения служит железная руда. Технологический процесс изготовления состоит в восстановлении оксидов железной руды и получении в результате этого иного материала — чугуна. Для его изготовления используются такие виды топлива, как кокс, термоантрацит, природный газ.

Для производства одной тонны чугуна требуется около 550 килограмм кокса и приблизительно тонна воды. Объемы загружаемой в печь руды будут зависеть от содержания в ней железа. Как правило используют руду, в составе которой содержится железа не менее 70%. Все дело в том, что экономически нецелесообразно использовать меньшую его концентрацию.

Первым этапом производства чугуна является его выплавка. В доменную печь засыпается руда, а затем — коксующийся уголь, который необходим для нагнетания и поддержания требуемой температуры внутри шахты печи. Эти составляющие во время горения принимают активное участие в протекающих химических реакциях в качестве восстановителей железа.

Тем временем в печь погружается флюс, который выступает в роли катализатора. Ускоряя плавку пород, он тем самым поддерживает скорейшее высвобождение железа. Немаловажно знать, что перед загрузкой в печь руда проходит необходимую предварительную обработку. Она измельчается на дробильной установке, поскольку более мелкие частицы плавятся быстрее. Затем ее промывают, чтобы удалить частицы, не содержащие металл. Далее сырье подвергается обжигу, вследствие чего из него извлекается сера и другие инородные компоненты.

На втором этапе производства в заполненную и готовую к эксплуатации печь подается через специальные горелки природный газ. Кокс участвует в разогреве сырья. Происходит выделение углерода, который, соединяясь с кислородом, образует оксид. Он, в свою очередь, способствует восстановлению железа из руды.

При увеличении объема газа в печи снижается скорость протекания химической реакции. Она может и совсем остановиться при достижении определённого соотношения газа. Углерод проникает в сплав и соединяется с железом, при этом образуя чугун. Нерасплавленные элементы остаются на поверхности и вскоре удаляются. Такие отходы называются шлаком. Его используют для изготовления других материалов.

Сфера использования

Этот металл используется в различных отраслях промышленности. Например, он широко применяется в машиностроении для производства различных деталей.

Чаще всего этот материал используется в производстве блоков для двигателей и коленчатых валов. Для изготовления последних необходим усовершенствованный сплав с добавлением специальных примесей из графита. Этот металл устойчив к трению, поэтому из него производят тормозные колодки высокого качества.

В жестких климатических условиях чугунный сплав незаменим, так как он позволяет изготовленным из него деталям машин работать бесперебойно даже при самых низких температурах.

В металлургической промышленности он себя также отлично зарекомендовал. Высоко ценятся его превосходные литейные свойства и относительно невысокая цена. Изделия из него отличаются очень высокой прочностью и износостойкостью.

Из чугунного сплава делается великое множество сантехнических изделий. Это батареи, раковины, разнообразные мойки и трубы. Широкой популярностью пользуются чугунные ванны и радиаторы отопления. Срок их службы весьма длительный. Во многих квартирах по сей день используются данные изделия, потому как они долго сохраняют свой первозданный вид и редко нуждаются в реставрации.

Немаловажен и тот факт, что превосходные литейные свойства чугуна позволяют изготавливать из него целые произведения искусства: такие как ажурные кованые ворота и всевозможные памятники архитектуры.

Примечательно, что цена за 1 килограмм чугуна обусловлена количеством находящегося в его составе углерода, а еще наличием разнообразных примесей и легирующих компонентов. Цена тонны чугуна составляет около 8000 рублей.

На сегодняшний день не существует ни одной сферы, где бы ни использовался этот металл. Его литье и сплавы выступают основой многих узлов, механизмов и деталей. Иногда он используется в качестве самостоятельного изделия, прекрасно справляясь с возложенными на него функциями. Это железосодержащее соединение является уникальным в своем роде. Оно остается незаменимым и поныне.

Источник

Ковкий чугун

Ковкий чугун – условное название более пластичного чугуна по сравнению с серым. Ковкий чугун никогда не куют. Отливки из ковкого чугуна получают длительным отжигом отливок из белого чугуна с перлитно-цементитной структурой. Толщина стенок отливки не должна превышать 40-50 мм. При отжиге цементит белого чугуна распадается с образованием графита хлопьевидной формы (см. рис. 25, в). У отливок с толщиной стенок более 50 мм при отжиге будет образовываться нежелательный пластинчатый графит.

В зависимости от структуры металлической основы различают ковкий ферритный чугун и ковкий перлитный чугун. Ферритные ковкие чугуны получают из белых чугунов, выплавленных дуплекс-процессом и содержащих 2,4-2,8% С; 0,8-1,4% Si; 0,3-0,4% Мп; 0,08-0,1% S, 0,2% Р. Для защиты от окисления при отжиге отливки из белого чугуна укладывают в специальные металлические ящики и засыпают песком, стальными стружками или шамотом. Отжиг белого чугуна состоит в медленном нагреве (20-25 ч) до температуры 950-1000°С и длительной выдержке (10-15 ч) при этой температуре. В процессе выдержки происходит первая стадия графитизации, заключающаяся в распаде эвтектического и избыточного вторичного цементита, который в небольшом количестве имеется при этой температуре. К концу выдержки заканчивается первая стадия графитизации и чугун состоит из аустенита и включений углерода отжига. Затем температуру снижают до 720-740°С и снова выдерживают чугун в течение 25-30 ч (рис. 26, режим 1). В это время происходит вторая стадия графитизации, в процессе которой распадается цементит перлита. Ферритный ковкий чугун называют также черносердечным по виду излома, который из-за большого количества графитных включений в ферритной основе имеет темный матовый цвет.

Рис. 26. Отжиг белого чугуна

Перлитные ковкие чугуны получают из белых чугунов, выплавленных преимущественно в вагранках. Белый чугун для этого должен иметь следующий химический состав: 2,8-3,4% С; 0,5-0,8% Si; 0,4-0,5% Мп; 0,2% Р и 0,12% S. Для уменьшения содержания углерода отжиг выполняют в окислительной среде. Для этого отливки засыпают окалиной или измельченной железной рудой. Режим отжига состоит в нагреве до температуры примерно 1000°С, длительной выдержке при этой температуре (первая стадия графитизации) и непрерывном медленном охлаждении до комнатной температуры (рис. 26, режим 2). При таком отжиге значительная часть углерода выгорает, а в поверхностном слое глубиной до 1,5-2,0 мм наблюдается полное обезуглероживание. Поэтому в изломе чугун получается светлым и его называют светлосердечным. Перлитные ковкие чугуны имеют меньшее применение, чем ферритные ковкие чугуны.

В зависимости от предела прочности при растяжении (σв) и относительного удлинения (δ) ковкий чугун (ГОСТ 1215-79) разделяют на следующие марки (в скобках указаны числовые значения твердости НВ): КЧ 30-6 (163), КЧ 33-8 (163), КЧ 35-10 (163), КЧ 37-12 (163) – ферритные черносердечные и КЧ 45-6 (241), КЧ 50-4 (241), КЧ 56-4 (269), КЧ 60-3 (269), КЧ 63-2 (269) – перлитные светло-сердечные.

Ковкий чугун широко применяют в автомобильном, сельскохозяйственном и текстильном машиностроении. Из него изготовляют детали высокой прочности, способные воспринимать повторно-переменные и ударные нагрузки и работающие в условиях повышенного износа, такие, как картер заднего моста, тормозные колодки, ступицы, пальцы режущих аппаратов сельскохозяйственных машин, шестерни, крючковые цепи и др. Широкое распространение ковкого чугуна, занимающего по механическим свойствам промежуточное положение между серым чугуном и сталью, обусловлено лучшими по сравнению со .сталью литейными свойствами исходного белого чугуна, что позволяет получать отливки сложной формы. Ковкий чугун характеризуется достаточно высокими антикоррозионными свойствами и хорошо работает в среде влажного воздуха, топочных газов и воды.

Серый чугун

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

Основные характеристики

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

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

Плиты серого чугуна

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

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

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

Чугун с пластинчатым графитом

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

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

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

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

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

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

Основные структурные составляющие матрицы:

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

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

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

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

Влияние химических элементов на свойства серого чугуна:

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

Стандарты

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

Маркировка

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

Классификация чугуна с пластинчатым графитом

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

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

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

Механические свойства

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

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

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

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

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

Примечания:

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

Химический состав

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

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

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

Физические свойства

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

Таблица 4: Физические свойства чугуна с пластинчатым графитом

Химический состав и структура

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

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

Микроструктура серого чугуна

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

Ферритный серый чугун имеет несколько меньшую хрупкость, чем перлитный.

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

Влияние компонентов на свойства чугунов

Чугун отличается от стали более высоким содержанием углерода, лучшими литейными свойствами. Он не способен в обычных условиях обрабатываться давлением и дешевле стали. В чугунах имеются примеси кремния, марганца, фосфора и серы. Чугуны со специальными свойствами содержат легирующие элементы – никель, хром, медь, молибден и др. Примеси, находящиеся в чугуне, влияют на количество и строение выделяющегося графита.

Рис. 23. Микроструктуры чугуна

Механические свойства отливок из чугуна зависят от его структуры. Чугуны имеют следующие структурные составляющие: графит, феррит, перлит, ледебурит и фосфидную эвтектику. По микроструктуре чугуны делят на белый чугун I (рис. 23), содержащий ледебуритный цементит Ц и перлит П; серый перлитный чугун II, содержащий перлит П и графит Г; серый ферритный чугун III, содержащий феррит Ф и графит Г. В ферритном чугуне весь углерод находится в свободном состоянии в виде графита. Существуют чугуны с промежуточными микроструктурами: половинчатый Па, в котором имеются перлит, ледебуритный цементит и графит; перлитно-ферритный Пб, содержащий феррит, перлит и графит; высокопрочный IV – перлит и шаровидный графит.

На образование той или иной микроструктуры чугуна большое влияние оказывают его химический состав и скорость охлаждения отливки.

Углерод в обычных серых чугунах содержится в количестве от 2,7 до 3,7%. Выделение графита увеличивается с повышением содержания углерода в чугуне. Во всех случаях пределы содержания углерода принимают: нижние – для толстостенных, а верхние – для тонкостенных отливок.

Совместное влияние углерода и кремния на структуру чугуна представлено на диаграмме (рис. 24, а). На диаграмме по линии абсцисс отложено содержание в чугуне кремния, а на оси ординат – содержание углерода. Диаграмма сплошными линиями делится на пять областей. Обозначение областей соответствует структурам чугуна, приведенным на рис. 23. Используя эту диаграмму, можно определить процентное содержание углерода и кремния для получения отливок с толщиной стенок 50 мм и необходимой микроструктурой.

Рис. 24. Структурные диаграммы чугуна в зависимости от: а – содержания углерода и кремния, б – скорости озлаждения

Существенное влияние на образование структуры чугуна оказывает скорость охлаждения отливки, которая становится тем меньше, чем больше толщина стенки отливки. С увеличением скорости охлаждения отливки количество цементита в структуре чугуна возрастает, а с уменьшением ее в структуре чугуна увеличивается содержание графита. Поэтому при одном и том же химическом составе чугуна отливка, ,имеющая разную толщину стенок, будет иметь разную микроструктуру, а следовательно, и механические свойства. На рис. 24, б показано совместное влияние углерода и кремния (ось ординат) и толщины стенки отливки (ось абсцисс) на структуру чугуна. Обозначение областей на этой диаграмме также соответствует структурам, приведенным на рис. 23, и областям рис. 24, а.

Марганец растворяется в чугуне, образуя твердые растворы с ферритом и цементитом. Марганец в некоторой степени препятствует графитизации чугуна. Марганец нейтрализует вредное влияние серы на чугун. Содержание марганца в сером чугуне составляет обычно 0,5-0,8%. Увеличение содержания марганца до 0,8-1,0% приводит к повышению механических свойств чугуна, особенно в отливках с тонкими стенками. Фосфор не оказывает практического влияния на процесс графитизации чугуна. В количестве 0,1-0,3% фосфор находится в твердом чугуне в растворенном состоянии. Фосфор повышает хрупкость, так как в чугунах с содержанием фосфора около 0,5-0,7% образуется тройная фосфидная эвтектика (Fe+Fe3P+Fe3C) с температурой плавления 950°С, которая выделяется в виде хрупкой сплошной сети по границам зерен. Фосфор повышает жидкотекучесть и износостойкость, но ухудшает обрабатываемость чугуна. Для ответственных отливок содержание фосфора допускается до 0,2-0,3%. Отливки, предназначенные для работы на истирание, могут содержать до 0,7-0,8% фосфора, тонкостенные отливки и отливки художественного литья – около 1% фосфора.

Сера является вредной примесью, образует при затвердевании сернистое железо (FeS), ухудшает литейные свойства чугуна (снижает жидкотекучесть, увеличивает усадку и повышает склонность к образованию трещин). Сернистое железо образует с железом легкоплавкую эвтектику (Fe+FeS), которая плавится при температуре 988°С. Эвтектика затвердевает в последнюю очередь и располагается между зернами, приводя к хрупкости и понижению прочности чугуна при повышенных температурах, т. е. к красноломкости. Добавкой марганца в количестве, в 5-7 раз превышающем содержание серы, нейтрализуют ее вредное влияние. Сера образует с марганцем сернистый марганец MnS, который находится в расплавленном чугуне в твердом состоянии, поскольку плавится при 1620°С. Большая часть образующегося сернистого марганца переходит из жидкого чугуна в шлак. Содержание серы в чугуне ограничивается до 0,12%, а в высокопрочных должно быть не более 0,03%.

Легирующие элементы (Сг, Ni, Mo, Ti, Мп, Си и др.) улучшают свойства чугуна. Хром и никель для легирования чугуна обычно применяют совместно. В результате легирования чугуна перлит размельчается или образуются другие, еще более тонкие структуры.

Применение

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

Изделие из серого чугуна

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

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

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

Источник

Высокопрочный чугун

Он имеет ферритную или перлитную структуру (см. рис. 23), является разновидностью серого чугуна, модифицированного магнием. Одновременно с ним или несколько позже в жидкий чугун вводят ферросилиций. В результате получают мелкие включения графита шаровидной формы (см. рис. 25, 6). Этот чугун обладает повышенной прочностью но сравнению с обычными серыми чугунами. В зависимости от предела прочности (σв) при растяжении и относительного удлинения (δ) выскопрочные чугуны (ГОСТ 7293-79) разделяют на следующие марки (в скобках указаны числовые значения твердости НВ): ВЧ 38-17 (140—170), ВЧ 42-12 (140-200), ВЧ 45-5 (160-220), ВЧ 50-2 (180-260), ВЧ 60-2 (200-280), ВЧ 70-3 (229-275), ВЧ 80-3 (220-300), ВЧ 100-4 (302-369). ВЧ 120-4 (302-369).

Механические свойства высокопрочного чугуна позволяют применять его для изготовления деталей машин, работающих в тяжелых условиях, вместо поковок или отливок из стали. Из высокопрочного чугуна изготовляют детали прокатных станов, кузнечно-прессового оборудования, паровых турбин (лопатки направляющего аппарата), тракторов, автомобилей (коленчатые валы, поршни) и др. Так, например, коленчатый вал легковой автомашины «Волга» изготовляют из высокопрочного чугуна следующего состава: 3,4-3,6% С; 1,8-2,2% Si; 0,96-1,2% Мп; 0.16-0,30% Сг; <0,01% S; <0,06% Р и 0,01-0,03% Mg. Низкое содержание серы и фосфора и небольшие пределы содержания других химических элементов обеспечивается тем, что такой чугун выплавляют не в вагранке, а в электрической печи. После термической обработки механические свойства чугуна получаются весьма высокими: σв=620-650 МПа, δ=8-12% и твердость НВ=192-240.