Что являются основными свойствами чугунов

Материаловедение

Чугуны, их свойства и классификация

Чугуном называют сплав железа с углеродом и другими элементами, содержащими углерода более 2,14 %.

Классификация чугунов

Характерной особенностью чугунов является то, что углерод в сплаве может находиться не только в растворенном и связанном состоянии (в виде химического соединения – цементита (Fe₃C), но также в свободном состоянии – в виде графита. При этом форма выделений графита и структура металлической основы (матрицы) определяют основные типы чугунов и их свойства.

Классификация чугуна с различной формой графита производится по ГОСТ 3443-77. по следующим признакам:

В зависимости от формы выделения углерода в чугуне различают:

Серый чугун – это сплав системы Fe-C-Si, содержащий в качестве примесей марганец, фосфор, серу. Углерод в серых чугунах преимущественно находится в виде графита пластинчатой формы.

Структура отливок определяется химическим составом чугуна и технологическими особенностями его термообработки. Механические свойства серого чугуна зависят от свойств металлической матрицы, формы и размеров графитовых включений. Свойства металлической матрицы чугунов близки к свойствам стали.
Графит, имеющий невысокую прочность, снижает прочность чугуна.

Чем меньше графитовых включений и выше их дисперсность, тем больше прочность чугуна.

Графитовые включения вызывают уменьшение предела прочности чугуна при растяжении. На прочность при сжатии и твердость чугуна частицы графита практически не оказывают влияния. Свойство графита образовывать смазочные пленки обусловливает снижение коэффициента трения и увеличение износостойкости изделий из серого чугуна. Графит улучшает обрабатываемость резанием.

Согласно ГОСТ 1412-85 серый чугун маркируют буквами «С» – серый и «Ч» – чугун. Число после буквенного обозначения показывает среднее значение предела прочности чугуна при растяжении. Например, СЧ 20 – чугун серый, предел прочности при растяжении 200 МПа.

По свойствам серые чугуны можно условно распределить на следующие группы:

Чугун с вермикулярным графитом отличается от серого чугуна более высокой прочностью, повышенной теплопроводностью. Этот материал перспективен для изготовления ответственных отливок, работающих в условиях повышенных температур (блоки двигателей, поршневые кольца).
Вермикулярный графит получают путем обработки расплава серого чугуна лигатурами, содержащими редкоземельные металлы и силикобарий.

Модифицирование серого чугуна магнием, а затем ферросилицием позволяет получать магниевый чугун (СМЧ), обладающий прочностью литой стали и высокими литейными свойствами серого чугуна. Из него изготовляют детали, подвергаемые ударам, воздействию переменных напряжений и интенсивному износу, например, коленчатые валы легковых автомобилей.

Высокопрочный чугун

Отличительной особенностью высокопрочного чугуна являются его высокие механические свойства, обусловленные наличием в структуре шаровидного графита. Чугун с шаровидным графитом обладает не только высокой прочностью, но и пластичностью.

Получение шаровидного графита в чугуне достигается модифицированием расплава присадками, содержащими Mg, Ca, Се и другие редкоземельные металлы.

Химический состав и свойства высокопрочных чугунов регламентируются ГОСТ 7293-85 и маркируются буквами «В» – высокопрочный, «Ч» – чугун и числом, обозначающим среднее значение предела прочности чугуна при растяжении. Например, ВЧ100 – высокопрочный чугун, предел прочности при растяжении 1000 МПа.

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом является наиболее перспективным литейным сплавом, с помощью которого можно успешно решать проблему снижения массы конструкции при сохранении их высокой надежности и долговечности. Высокопрочный чугун используют для изготовления ответственных деталей в автомобилестроении (коленчатые валы, зубчатые колеса, цилиндры и др.).

Белый и ковкий чугун

Белые чугуны характеризуются тем, что у них весь углерод находится в химически связанном состоянии – в виде цементита. Излом такого чугуна имеет матово-белый цвет. Наличие большого количества цементита придает белому чугуну высокие твердость, хрупкость и очень плохую обрабатываемость режущим инструментом.
Высокая твердость белого чугуна обеспечивает его высокую износостойкость, в том числе и при воздействии абразивных сред. Это свойство белых чугунов учитывается при изготовлении поршневых колец.

Однако белый чугун применяют главным образом для отливки деталей с последующим отжигом на ковкий чугун. Ковкий чугун получают путем отжига белого чугуна определенного химического состава, отличающегося пониженным содержанием графитизируюших элементов (2,4…2,9 % С и 1,0…1,6 % Si), так как в литом состоянии необходимо получить полностью отбеленный чугун по всему сечению отливки, что обеспечивает формирование хлопьевидного графита в процессе отжига.

Механические свойства и рекомендуемый химический состав ковкого чугуна регламентирует ГОСТ 1215-79. Ковкие чугуны, маркируют буквами «К» – ковкий, «Ч» – чугун и цифрами. Первая группа цифр показывает предел прочности чугуна при растяжении, вторая – относительное его удлинение при разрыве. Например, КЧ33-8 означает: ковкий чугун с пределом прочности при растяжении 330 МПа и относительным удлинением при разрыве 8 %.

Ковкий чугун используют для изготовления мелких и средних тонкостенных отливок ответственного назначения, работающих в условиях динамических знакопеременных нагрузок (детали приводных механизмов, коробок передач, тормозных колодок, шестерен, ступиц и т. п.). Однако ковкий чугун – малоперспективный материал из-за сложной технологии получения и длительности производственного цикла изготовления деталей из него.

Легированные чугуны

В зависимости от назначения различают износостойкие, антифрикционные, жаростойкие и коррозионно-стойкие легированные чугуны.

Химический состав, механические свойства при нормальных температурах и рекомендуемые виды термической обработки легированных чугунов регламентируются ГОСТ 7769-82. В обозначении марок легированных чугунов буквы и цифры, соответствующие содержанию легирующих элементов, те же, что и в марках стали.

Износостойкие чугуны, легированные никелем (до 5 %) и хромом (0,8 %), применяют для изготовления деталей, работающих в абразивных средах. Чугуны (до 0,6 % Сr и 2,5 % Ni) с добавлением титана, меди, ванадия, молибдена обладают повышенной износостойкостью в условиях трения без смазочного материала. Их используют для изготовления тормозных барабанов автомобилей, дисков сцепления, гильз цилиндров и др.

Жаростойкие легированные чугуны ЧХ2, ЧХЗ применяют для изготовления деталей контактных аппаратов химического оборудования, турбокомпрессоров, эксплуатируемых при температуре 600°С (ЧХ2) и 700 °С (ЧХ3).

Жаропрочные легированные чугуны ЧНМШ, ЧНИГ7Х2Ш с шаровидным графитом работоспособны при температурах 500…600°С и применяются для изготовления деталей дизелей, компрессоров и др.

Коррозионно-стойкие легированные чугуны марок ЧХ1, ЧНХТ, ЧНХМД ЧН2Х (низколегированные) обладают повышенной коррозионной стойкостью в газовой, воздушной и щелочной средах. Их применяют для изготовления деталей узлов трения, работающих при повышенных температурах (поршневых колец, блоков и головок цилиндров двигателей внутреннего сгорания, деталей дизелей, компрессоров и т. д.).

Антифрикционные чугуны используются в качестве подшипниковых сплавов, способных работать в условиях трения как подшипники скольжения.

Для легирования антифрикционных чугунов используют хром, медь, никель, титан.

Источник

Чугун

Чугун начали применять много десятилетий назад. Этот материал обладает особыми эксплуатационными характеристиками, которые отличаются от свойственных стали. Производство чугуна, несмотря на появление большого количества различных сплавов, налажено во многих странах. Для того чтобы определить свойства чугуна, следует рассмотреть особенности его химического состава, от чего зависят те или иные физические качества.

Химический состав чугуна является важным фактором, который во многом определяет механические свойства получаемых отливок. Кроме этого, на многие свойства оказывает влияние механизмы первичной и вторичной кристаллизации.

Содержание углерода в чугуне может варьироваться в пределах от 2,14 до 6,67 процентов. Современные технологии производства позволяют с высокой точностью контролировать концентрацию всех элементов в составе, за счет чего снижается показатель хрупкости и увеличиваются другие эксплуатационные характеристики.

Рассматривая химический состав чугуна следует отметить, что в него, кроме железа и углерода, обязательно входят следующие элементы:

Как и во многих других составах, наиболее важным из химических элементов чугуна является углерод. От его концентрации и вида зависит разновидность материала. Структура чугуна может существенно различаться в зависимости от применяемой технологии производства.

Физический свойства

Чугун получил широкое распространение благодаря привлекательным физическим качествам:

Температура кипения чугуна также во многом зависит от химического состава. Для того, чтобы рассмотреть физические свойства материала, следует уделить внимание каждой его разновидности. Иная структура и химический состав становятся причиной придания иных физико-механических качеств.

Технология производства

Выплавка чугуна проводится на протяжении нескольких десятилетий, что связано с его уникальными эксплуатационными качествами. Большое количество разновидностей сплавов определяет применение особых правил маркировки. Маркировка чугунов проводится следующим образом:

Технология производства чугуна предусматривает проведение нескольких этапов, которые позволяют получить требуемую структуру. Рассматривая процесс получения чугуна, отметим следующие моменты:

Оборудование для производства чугуна может существенно отличаться. Кроме этого, применяемая технология производства во многом определяет то, какой будет получен материал. Примером можно назвать производство ВЧШГ, которое связано с приданием структуре необычную форму.

Разновидности чугуна

Существует довольно большое количество разновидностей рассматриваемого материала. Классификация чугунов во многом зависит от структуры и химического состава. Выделяют следующие виды чугуна:

Каждая разновидность чугуна обладает своей особой структурой и химическим составом, которые и определяют область применения.

Применение

Из-за особых физико-механических качеств применение чугуна стало возможно в самых различных сферах:

Кроме этого, область применения зависит от нижеприведенных свойств рассматриваемого материала:

В заключение отметим, что давно открытая технология производства рассматриваемого материала на протяжении многих лет оставалась практически неизменной. Это связано с тем, что при относительно невысоких затратах можно было получить большой объем расплавленного сплава. На сегодняшний день часто проводится производство материала из лома, что позволяет еще в большой степени снизить себестоимость получаемого продукта.

Источник

Чугун. Свойства чугуна. Применение чугуна

Последнего в сплаве от 2-х до 4,5%. Состав создали в Китае в 6-ом веке. Европа переняла секрет производства в 14-ом. В России состав чугуна довели до совершенства лишь к 17-му.

Лучший товар поставлял литейный завод братьев Демидовых. Он расположился на Урале. За века чугун не утратил актуальности. Широкий спектр применения сплава обеспечивают его характеристики. С них и начнем.

Химические и физические свойства чугуна

Солидная примесь углерода лишает сплав пластичности, вязкости. Вот сталь, в которой 6-го элемента таблицы Менделеева менее 2%, ими отличается. Зачем же тогда добавляют «лишний» углерод в чугуновые трубы?

Цель – добиться исключительной твердости. По шкале Мооса она равна 7,5 баллов. Это больше, чем у кварца. До алмаза остается всего 2,5 балла.

Кроме твердости, неизменным свойством чугуна является температура его плавления – 1200 градусов Цельсия. В остальном, характеристики сплава зависят от его типа.

Основные виды чугуна: белый, серый, высокопрочный, ковкий и половинчатый. В первом сплаве весь углерод связан с железом. Fe₃C называют цементитом. Он делает железо белым на изломе.

Отсюда и название чугуна. Разновидность материала особенно тверда, но и особенно хрупка, плохо поддается резке. В основном, из белого чугуна отливают шары. Их используют для перемалывания промышленного сырья.

Первая – вредная примесь, от которой не удается избавиться в процессе производства. А вот фосфор и марганец способствуют отбеливанию в поверхностных слоях. Так удается упрочнить оболочку деталей, улучшив при этом их пластичность.

На свойства чугуна влияет не только состав, но и скорость охлаждения. Она меняет структуру металла. Белый сплав охлаждают быстрее. Серый чугун, напротив, формируют медленно.

Высокопрочный чугун содержит углерод в виде графита, причем шарообразного. Соотношение его поверхности к объему минимально. Это делает материал однородным и прочным.

По свойствам сплав близок к литой углеродистой стали. При этом, литейные свойства высокопрочного чугуна лучше, он легко поддается резке и сохраняет износостойкость.

Купить чугун ковкий стремятся вовсе не для того, чтобы его ковать. Этой процедуре не подается ни один из видов сплава. Название указывает лишь на то, что состав поддается обработке давлением, то есть материал наиболее пластичен.

Марки чугуна список в разы шире перечня его видов. Только у ковкого сплава 8 типов. У них разный состав, или же, процентное соотношение компонентов. Так, марка КЧ 30-6 содержит от 2,7 до 3,1% углерода, а в КЧ 37-12 его не больше 2,5%.

Применение чугуна

Твердость в сочетании с хорошими литейными свойствами делают сплав идеальным для создания прочных деталей сложной формы, к примеру, художественных оградок.

Такие можно увидеть на набережных Красноярска, Иркутска, Санкт-Петербурга. В северной столицы ковка чугуна применена и при создании ворот Зимнего дворца.

Лом чугуна переплавляют, так же, на станины промышленных станков. Из прочного материала делают корпусные детали, посуду. Сковорода из чугуна выбирается при готовке блюд, требующих длительного томления.

Посуда долго нагревается, зато, отлично аккумулирует тепло. Жар распределяется равномерно. К тому же, чугун наделен антипригарными свойствами.

Они, как говориться, от природы. Особое покрытие здесь не причем. Поэтому, старинные сковороды не выходят из обихода, не смотря на модные модели с тефлоном.

Не исчезают с рынка и ванны из чугуна. Они тяжелы, но долговечны. К тому же, тяжесть – не только минус. За счет массы устраняются незаметные для человека вибрации, разрушающие линию стыка ванны со стенами. Микротрещины чреваты появлением в помещении плесени и грибка.

Среди сантехнического оборудования чугунными бывают и раковины, трубы, фитинги. Последние детали используют для соединения труб. Такая продукция почти изжила себя из-за сложности не только монтажа, но и демонтажа.

Требуется сварка чугуна. Это трудоемкая процедура, требующая сноровки. Соединить же современные трубы из пластика можно специальным паяльником, потратив в разы меньше времени и сил.

Производство чугуна направлено и на отрасль автомобилестроения. Прочный и износостойкий сплав идет на блоки цилиндров от двигателей внутреннего сгорания.

В дизельных же моторах из смеси железа с углеродом делают коленчатые валы. Как правило, чугун используют в бюджетных авто или специализированных, промышленных моделях.

Детали надежны, дешевы, но тяжелы. Сейчас, как известно, производители стремятся уменьшить массу машин. Это и сокращает долю чугунных элементов в современных автомобилях.

Из сплава феррума и углерода производили всем известные буржуйки. Есть и современные печи из чугуна. И покупают не только из-за ценника. Печи не деформируются при нагреве, что случается с моделями из других сплавов.

На высоте и теплопроводность чугунных изделий. Это делает их удобными для редкоотапливаемых площадей, или же помещений, требующих быстрого нагрева.

Добыча чугуна

Какой бы чугун ни был, это сплав. Добыть его невозможно. Смесь производят, а добывают компоненты для нее. В случае с чугуном, основной элемент – железо. Берут руды с ним и плавят в доменных печах. Топливо – каменный уголь в виде кокса. Иногда, берут мазут или природный газ.

Почему переплавляют руду, а не чистый металл? Потому что феррум не бывает самородным, всегда связан с другими элементами. Среди них и та самая пресловутая сера, от которой не удается полностью избавиться в ходе переплавки. Но, в железных рудах есть и полезные примеси – те же хром и марганец.

Железо восстанавливается и оксидов. При этом, сами восстановители окисляются. Процесс протекает лучше и быстрее в кислородной среде. Поэтому, газ специально подается в домену печь до конца реакции.

Цена чугуна

10-литровый образец стоит около 7000 рублей. За кило дроби в 0,8 миллиметров просят около 2300 рублей. Простейшая печь-буржуйка обойдется покупателю минимум в 4500 рублей. Отопительные котлы из прочного сплава опустошат карман не меньше, чем на 30 000.

Источник

Свойства чугуна

Люди научились получать чугун еще несколько веков назад, и по сей день он остается одним из наиболее востребованных материалов. Уникальные свойства чугуна позволяют использовать его в быту и в самых разных сферах деятельности. Так чем же примечателен этот металл, и почему он так популярен?

Общее описание

Чугунные сплавы, как и стальные, состоят из железа и углерода. Функция углерода, в данном случае, заключается в придании металлу твердости и прочности. Но в отличие от стали, содержащей не более 2% углерода, чугунные сплавы им более насыщены. Максимальное содержание углерода в чугуне может достигать 6%. Но на практике используются соединения, содержащие 3%-3,5% этого вещества.

Благодаря насыщению углеродом этот сплав обретает высокую прочность и твердость. Но эти же качества придают чугуну хрупкость. Чугунные изделия не выдерживают ударных нагрузок. При ударах они трескаются. Поэтому этот металл не поддается никаким видам обработки, кроме литья. Все изделия, включая детали для машин, посуду и предметы интерьера, отливаются.

Виды сплавов

Углерод в чугунах может содержаться в двух видах:

Цементит придает сплаву белый цвет, а графит – серый. За счет такой особенности выделяют две разновидности чугунов – белый и серый. Серый чугун содержит крупные включения графита, которые значительно повышают его хрупкость.

Применение белой разновидности очень ограничено. Из-за чрезмерной твердости и хрупкости он плохо поддается резке. Поэтому чаще всего его используют для создания поверхностного слоя, требующего повышенной твердости. Также из белого чугунного соединения отливают шары, предназначенные для перемалывания промышленного сырья.

Графит добавляет материалу пластичности. Но серая разновидность содержит больше вредных примесей в виде серы и фосфора, от которых не удается избавиться в процессе производства.

С целью повышения пластичности чугуна и снижения его хрупкости в сплавы добавляют магний и церий. С помощью эти веществ удается изменить форму графита и, соответственно, устранить хрупкость металла. В результате производители получают высокопрочный чугун, качество которого не уступает стали.

Также современные методы производства позволяют получить ковкий чугун и легированный. Название первой модификации не указывает на возможность обработки металла методом ковки. Оно лишь указывает на высокую прочность, пластичность и вязкость сплава.

Легирующие соединения обладают улучшенными свойствами, так как в их состав вводятся легирующие компоненты, оказывающие положительное влияние на структуру, форму и размеры включений углерода.

Химический состав

Химической формулы чугуна не существует, так как это не отдельное вещество, а сплав двух и более веществ. В состав чугуна входят следующие компоненты:

Железо и углерод – это основные компоненты сплава.

Кремний – второй по важности элемент после углерода. Он увеличивает жидкотекучесть, делая материал более мягким. За счет добавления кремния удается улучшить его литейные качества. Марганец повышает прочность сплава.

Сера и фосфор – вредные примеси, от которых не удается избавиться в процессе производства. Увеличение содержания серы и фосфора ухудшает жидкотекучесть металла и приводит к образованию трещин в отливках.

Остальные компоненты добавляются с целью придания металлу большей прочности, износостойкости, жаропрочности. Они повышают устойчивость материала к сухой и влажной коррозии, а также к воздействию агрессивных сред.

Количество легирующих компонентов определяет степень легированности чугуна. В зависимости от этих показателей выделяют следующие виды чугунных сплавов:

Хотя стоимость легированных чугунных соединений значительно ниже, чем у нержавеющих сталей, изделия из них получаются прочными и качественными.

Физико-механические свойства

От 17000 для высокопрочныхПредел прочности при растяжении370-630 Н/мм 2Ударная вязкость0,01-0,04 МДж/м

Улучшение физических свойств чугуна достигается за счет добавления ванадия и молибдена. Увеличить прочность позволяют марганец и кремний. Хотя количество каждой примеси в сплаве не превышает 1%, за счет их добавления удается увеличить вязкость сплава, уменьшив его хрупкость.

Плотность чугуна в кг/м3 колеблется в пределах 6600-7800. То есть он легче стали, но значительно прочнее. Этот фактор объясняется его твердостью, которая всего на 2,5 балла ниже, чем у алмаза.

Тепловые свойства

Свойства чугуна при нагревании изменяются. Тепловые характеристики зависят от состава сплава. Показатель теплоемкости зависит от наличия легирующих компонентов, а также интенсивности нагрева материала – чем она выше, тем больше теплоемкость. Удельная теплоемкость чугуна соответствует следующим значениям:

Теплопроводность определяет, насколько материал способен проводить тепло. Значение этого показателя зависит не только от того, какие компоненты входят в состав чугуна в процентах, но и от структуры самого сплава. Для твердого материала он гораздо выше, чем для расплавленного, и варьируется в пределах 0,08-0,13 кал/см3.

Гидродинамические свойства

В зависимости от того, сколько углерода в чугуне, его вязкость может снижаться или увеличиваться. Уменьшить показатели вязкости удается за счет увеличения процентного содержания марганца, уменьшения части серы и добавления компонентов неметаллического происхождения. Вязкость увеличивается, когда температура сплава переходит в точку затвердевания.

Химические свойства

К химическим свойствам относятся способность металла к окислению и его способность сопротивляться коррозии. Для определения каждого из этих показателей огромное значение имеет то, из чего состоит чугун.

Его окисление происходит под действием кислорода и углекислого газа. Уменьшить процесс окисления при заливке сплава позволяет обработка соединениями, содержащими литий.

Степень окисления имеет огромное значение в процессе сцепление металла с грунтом. В этот момент на поверхности металла образуется окисная пленка. А при значительной степени окисления образуется легкоотделяемый слой окалины, который значительно ухудшает сцепление.

Процесс окисления чугунных соединений с шаровидным графитом происходит по-другому. Образующаяся на его поверхности пленка полностью изолирует в металлической основе включения водорода друг от друга и прекращает доступ окислителя вовнутрь сплава.

Чугун подвержен избирательной коррозии (графитации), при которой частично удаляются основные металлические фазы, а на их месте остаются графит, феррит и губчатая масса. При этом получившийся графитный слой впоследствии препятствует дальнейшей коррозии.

Степень сопротивления коррозии зависит от химического состава чугуна. Легирующие компоненты оказывают положительное влияние на структуру сплава и способны повышать сопротивляемость к коррозии. Процентное содержание углерода в чугуне не оказывает влияния на его коррозийную стойкость.

В таблице приведены примерные сведения о скорости коррозии чугуна в разных агрессивных средах.

Источник