Характеристика чугунных. Чугун и его виды

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Чугуном принято называть железоуглеродистые сплавы, содер-жащие углерод при нормальных условиях кристаллизации выше пре-дела растворимости в аустените и эвтектику в структуре. В соот-ветствии с диаграммой состояния железоуглеродистых сплавов чугуном являются сплавы, содержащие углерода более 2%. Эвтектика в структуре этих сплавов в зависимости от условий ее образования может быть карбидной или графитной.

Приведенное определение, лежащее в основе классификации обычных железоуглеродистых сплавов, не всегда является доста-точным.

В самом деле, карбидная эвтектика имеется не только в чугунах, но и в высоколегированных сталях, содержащих мало углерода (менее 2%), например в быстрорежущих сталях. Сложным является вопрос и с графитной эвтектикой, поскольку вторичный и эвтектоидный графит не выделяются отдельно. По одной только структуре бывает трудно правильно отличить графитизированный чугун от графитизированной стали. Поэтому часто приходится прибегать к допол-нительным определениям. В частности, характерной особенностью чугуна являются лучшие литейные и худшие пластические свойства по сравнению, со сталью, что является следствием высокого содер-жания углерода (значительно большего предела растворимости в аустените). Общепринятые границы между чугуном и сталью при содержании углерода в 2% и более носят условный характер неза-висимо от степени легирования и характера структуры.

Структура чугуна остается важнейшим классификационным при-знаком, так как она определяет его основные свойства. Структура графитизированных чугунов состоит из металлической основы, пронизанной графитными включениями. Последние очень благо-приятно влияют на износостойкость и циклическую вязкость чугуна.

К важнейшим классификационным признакам относятся также механические свойства (а для чугунов специального назначения и специальные свойства), состав отливок, технология производства, конструкция отливок и области их применения.

Прочностные свойства чугуна определяются характером метал-лической основы и степенью ослабления этой основы графитными включениями. К последним относятся прежде всего количество, форма и характер распределения графитных включений.

2. КЛАССИФИКАЦИЯ ПО ХИМИЧЕСКОМУ СОСТАВУ

В чугунах, кроме железа и углерода, содержится (в качестве обычно определяемых постоянных примесей) кремний, марганец, фосфор и сера. Чугуны содержат также незначительные количества кислорода, водорода и азота.

По химическому составу чугуны делятся на нелегированные и легированные.

Нелегированными считаются чугуны, в которых количество мар-ганца не превосходит 2% и кремния 4%. При наличии этих элементов в больших количествах или при содержании специальных примесей чугуны считаются легированными. Принято считать, что в малолегированных чугунах количество специальных примесей (Ni, Сr, Сu и т. п.) не превосходит 3%.

При малом и умеренном легировании стремятся улучшить общие свойства чугуна —однородность структуры, сохранение прочности и упругости при нагреве до относительно невысоких температур — 300—400°, повышение износостойкости, повышение прочности и т.д.

При среднем, повышенном и высоком легировании чугун приобре-тает специальные свойства, так как значительно меняется состав твердых растворов и карбидов. В этом случае наибольшее значение приобретает изменение характера металлической основы. Путем легирования можно получить непосредственно в литом состоянии мартенсит, игольчатый троостит и аустенит. Это повышает коррозионностойкость, жаростойкость и меняет магнитные свойства.

3. КЛАССИФИКАЦИЯ ПО СТРУКТУРЕ И УСЛОВИЯМ ОБРАЗОВАНИЯ ГРАФИТА

По степени графитизации, формам графита и условиям их обра-зования различают следующие типы чугунов:

б) половин-чатый,

в) серый с пластинчатым графитом,

г) высокопрочный с шаровидным графитом и

д) ковкий.

Характер металлической основы чугуна определяется степенью графитизации, состоянием легирования и видом термической обра-ботки.

По степени графитизации белый чугун является почти неграфитизированным, половинчатые чугуны являются малографитизированными, а остальные чугуны —значительно графитизированными (рис.1).

Рис 1. Схема классификации чугунов по степени графитизации, виду излома, форме и условиям образования графита

В белых и половинчатых чугунах обязательно наличие ледебу-рита, а в значительно графитизированных чугунах ледебурита не должно быть.

Структура чугуна в одной отливке может быть различной и при-надлежать к разным типам чугуна; иногда даже специально доби-ваются получения различных структур в разных слоях, например при производстве отбеленных прокатных валков и дробильных шаров. Наружные слои состоят из белого чугуна, переходные слои из поло-винчатого чугуна, сердцевина из значительно графитизированного чугуна.

Рассмотрим подробнее главнейшие особенности перечисленных чугунов.

а) Белый чугун. Белым называется чугун, у которого почти весь углерод находится в химически связанном состоянии. Белый чугун весьма тверд, хрупок и очень трудно обрабатывается резцами (даже из твердых сплавов).

Рис. 2. Структура белого чугуна (ледебурит, перлит и вторичный цементит)

На рис. 2 показана микроструктура нелегированного белого доэвтектического чугуна, состоящая из ледебурита, перлита и вто-ричного цементита. В легированных или термообработанных чугунах вместо перлита может быть троостит, мартенсит или аустенит.

Отливки из белого чугуна из-за большой твердости и хрупкости имеют ограниченное применение. Они применяются как износо-стойкие, коррозионностойкие и жаростойкие.

Белым чугун называется потому, что вид излома у него светло-кристаллический, лучистый (рис. 3).

Рис. 3. Вид излома белого чугуна.

б) Половинчатый чугун. Половинчатый чугун характерен тем, что наряду с карбидной эвтектикой в структуре имеется и графит. Это означает, что количество связанного углерода превосходит его предельную растворимость в аустените в реальных условиях затвер-девания.

Структура половинчатого чугуна — ледебурит + перлит + гра-фит. В легированных и термически обработанных чугунах можно получить мартенсит, аустенит или игольчатый тростит.

Половинчатым чугун называется потому, что вид излома у него представляет собой сочетание из светлых и темных участков кристал-лического строения. Половинчатый чугун тверд и хрупок; приме-нение изделий из половинчатого чугуна ограничено. Чаще всего эта структура встречается в отбеленных отливках в качестве пере-ходной зоны между отбеленным слоем и графитизированной частью.

в) Серый чугун (СЧ). Серый чугун наиболее распространенный машиностроительный материал. Главное отличие серого чугуна заключается в том, что графит в плоскости шлифа имеет пластин-чатую форму (рис. 4). Когда пластинки очень дисперсны, графит назы-вают дисперсным или точечным Получение пластинчатой формы графита не требует термо-обработки или обязательного модифицирования.

Пластинчатый графит раз-личают по степени изолирован-ности, характеру расположения, форме и размерам пластинок

Рис. 4 . Пластинчатый графит (прямолинейный). х100

Рис. 5. Пластинчатый графит, колониями большой степени изолированности. х100.

На рис. 5 показан пластинчатый графит, расположенный коло-ниями большой степени изолированности, а на рис. 6 малой степени изолированности. Последний графит (дисперсный) расположен между дендритами и называется междендритным точечным. На фиг. & показан междендритный пластинчатый графит, а на рис. 8 розеточный графит.

Рис. 6. Пластинчатый графит, колониями малой степени изолированности. х100.

Рис. 7. Междендритный графит. х100.

Рис. 8.Розеточный графит. х100.

Рис. 9. Завихренный графит. х100.

Рис. 10. Структура серого чугуна (сорбит, графит и фосфиды) х400.

Рис. 11. Перлито-ферритный серый чугун. х100 .

Рис. 12. Шаровидный графит. х400.

Рис. 13. Перлитный высокопрочный. х400 .

Рис. 14. Перлито-ферритный высокопрочный чугун. х100 .

Рис. 15. Ферритный высокопрочный чугун. х200.

Графит на рис. 4 называется прямолинейным, или крупным: в отличие от завихренного, показанного на рис. 9.

По преимущественной длине сечений на шлифе графитные вклю-чения делятся на десять групп, указанных ниже.

Вид излома серого чугуна в значительной степени зависит от количества графита —чем больше графита, тем темнее излом.

Отливки из серого чугуна производятся любой толщины.

Вследствие сильного ослабляющего действия пластинок графита серому чугуну свойственны почти полное отсутствие относительного удлинения (менее 0,5%) и весьма низкая ударная вязкость.

В связи с тем, что серый чугун независимо от характера металли-ческой основы имеет низкую пластичность, большей частью стре-мятся к получению его с перлит-ной основой, поскольку перлит значительно прочнее и тверже фер-рита. Снижение количества пер-лита и повышение за счет этого количества феррита приводят к потере прочности и износостой-кости без повышения пластичности. Не дают также большой пластичности легирование серого чугуна и получение аустенитной основы.

Рис. 16. Хлопьевидный и крабовидный графиты.

Рис. 17. Ковкий чугун с ферритной основой.

На рис. 10 показана структура перлитно-графитного серого чугуна, а на рис. 11 структура перлитно-ферритного серого чугуна с примерно равным количеством перлита и феррита.

г) Высокопрочный чугун с шаровидным графитом (ВЧ). Прин-ципиальное отличие высокопрочного чугуна от других видов чугуна заключается в шаровидной форме графита, (рис. 12), которая полу-чается главным образом путем введения в жидкий чугун специаль-ных модификаторов (Mg, Се). Поэтому высокопрочный чугун часто называют магниевым, хотя в ГОСТе он назван «высокопрочным». Размеры и количество графитных включений бывают различными.

Шаровидная форма графита является наиболее благоприятной из всех известных форм. Шаровидный графит меньше других форм графита ослабляет металлическую основу. Металлическая основа высокопрочного чугуна бывает в зависимости от требуемых свойств перлитной (рис. 13), перлитно-ферритной (рис. 14) и ферритной (рис. 15). Путем легирования и термообработки можно получить аустенитную, мартенситную или игольчато-трооститную основу.

Отливки из высокопрочного чугуна так же, как и серого чугуна, могут производиться любой толщины.

д) Ковкий чугун (КЧ). Главное отличие ковкого чугуна заклю-чается в том, что графит в нем имеет хлопьевидную или шаровидную форму. Хлопьевидный графит бывает различной компактности и дис-персности (рис. 16 Л, Б, В, Г), что отражается на механических свойствах чугуна.

Промышленный ковкий чугун производится главным образом с ферритной основой; в ней однако всегда имеется перлитная кайма. В последние годы стали широко применяться чугуны с феррито-перлитной и перлитной основой. Чугун с ферритной основой (рис. 17) обладает большой пластичностью.

Излом у ферритного ковкого чугуна черно-бархатистый; с уве-личением количества перлита в структуре излом становится значи-тельно светлее.

Соответственно можно классифицировать чугуны по характеру шихты, способу плавки и способу обработки жидкого чугуна.

Большое влияние на свойства чугуна оказывает также состояние формы и характер заливки в нее. По способу получения отливок чугунное литье можно разделить на кокильное (измельчение струк-туры за счет ускоренного охлаждения), центробежное (плотная структура), армированное (упрочнение отливок) и т. п.

Значительное изменение свойств достигается термообработкой отливок. С помощью термической обработки можно изменить сте-пень дисперсности металлической основы и ее характер вплоть до превращения ее в игольчато-трооститную и мартенситную. До неко-торого предела можно изменить количество связанного углерода, а при химико-термической обработке можно в поверхностных слоях изменить и состав чугуна. По виду термической обработки можно разделить отливки на отожженные, нормализованные, улучшенные, поверхностно-закаленные, азотированные и т. п.

6. КЛАССИФИКАЦИЯ ПО ВИДАМ ОТЛИВОК И ОБЛАСТЯМ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ

Чугунные отливки по видам отливок и областям их применения можно делить на станочные, цилиндровые, автомобильные, подшип-никовые, прокатные валки из отбеленного чугуна и т. п.

Из приведенных классификаций наиболее четкой является клас-сификация по структуре, наименее четкой является классификация по видам отливок, поскольку чугуны с одинаковой структурой и одинаковым составом могут быть пригодны для различных видов отливок и отраслей машиностроения.

Необходимо отличать главнейшие (определяющие) признаки клас-сификации — форма графита от уточняющих признаков, к которым относится характер металлической основы, способ изготовления и т. п. Например, мало сказать серый чугун (пластинчатый графит), надо уточнить, какой серый чугун по металлической основе, как он получен (модифицированием или термической обработкой), леги-рован ли и чем он легирован.

Чугун это сплав железа и углерода (количество которого составляет более 2,14%), характеризуется эвтектическим образованиями. Углерод в чугуне находится в виде графита и цементита. В зависимости от форм графита, и количества цементита чугун разделяют на: белый и серый, ковкий и высокопрочный чугун. Хим. состав чугуна содержит в себе постоянные примеси (Si, Mn, PS, P), а в редких случаях также присутствуют легирующие элементы как(> Cr, Ni, V, Al и др.). Обычно чугун хрупкий. Большому распространению чугуна в машиностроении способствовало наличие хороших литейных, а также прочность и твердость. Мировое производство чугуна до кризиса 2008-м составило более 953 млн. тонн (в частности в Китае выплавили- 477 млн. тонн).

Химический состав чугуна и его виды

Белые и серые виды чугуна различают по цвету излома, который обусловливается структурой углерода в чугуне как карбида железа или же свободного графита, высокопрочный чугун с шаровидным графитом, чугуны с вермикулярным графитом называются ковкими. Углерод в белом чугуне находится в виде цементита, а в сером чугуне- в находится в виде графита.

Состав чугуна белого

В белом чугуне весь присутствующий углерод прибывает в состоянии цементита. В структуру белого чугуна входит - перлит, ледебурит, также цементит. Через светлый оттенок чугун получил название белый.

Состав серого чугуна и его структура

Серый чугун - вид чугуна, который, не содержит ледебурита, в нем весь углерод (или часть углерода) находится в виде графита. Название получил благодаря серому цвету поверхности излома.

Принадлежит наряду с белым чугуном, к основным видам чугуна. В состав серого чугуна, кроме железа и углерода (2,5 ... 4,5%), входит кремний около(0,8 ... 4,5%), а также марганец (0,1 ... 1,2%), и фосфор (0 , 02 ... 0,3%) с серой (0,02 ... 0,15%). Предел прочности серых чугунов при растяжении - 100 ... 350 МПа, сжатия - 450 ... 1400 МПа, твердость по Бринеллю - 143 ... 289 HB.

Основная характеристика серого чугуна низкое сопротивление отрыва, достаточно низкая ударная вязкость. Поэтому чем мельче есть графитовые пластины и чем сильнее пластины изолированы одна от одной, тем выше прочные свойства чугуна при одинаковой металлической основе. Данная структура получается модифицированием, процесс введения в жидкий сплав метала небольших количеств веществ, которые называют модификаторами (ферросилиций и силикокальций)

Ковкий чугун, процесс получения

Ковкий чугун получается в результате длительного отжига белого чугуна, после данного процесса образуется графит хлопьевидной формы. Металлическое основание ковкого чугуна содержит: феррит и реже перлит.

Структура высокопрочного чугуна

В своей структуре высокопрочный чугун имеет шаровидный графит, он получается в процессе кристаллизации материала. Шаровидный графит очень ослабляет металлическую основу так сильно как табличный, не концентратором напряжений.

Структурные характеристики половинчатого чугуна

Часть углерода в половинчатом чугуне (более 0,8%) находится в виды цементита. Основные структурные составляющие данного чугуна это- перлит, ледебурит и плоский графит.

Классификация чугунов

От хим состава чугуна и содержания углерода серый чугун называют доэвтектическим имеет (2,14-4,3% углерода),и эвтектическим имеет(4,3%) заэвтектическим имеет(4,3-6,67%). Состав сплава сильно влияет на структуру конечного материала.

В промышленности разные виды чугуна имеют такие маркировки:

чугун-П1, П2;
чугун для отливок используют-ПЛ1, ПЛ2,
перерабатывающий фосфористый вид чугуна-ПФ1, ПФ2, ПФ3,
перерабатывающий высококачественный вид чугуна-ПВК1, ПВК2, ПВК3;
чугун имеющий пластинчатый графит-СЧ (цифры идущие после букв "> СЧ", обозначают величину временного сопротивления разрыва (вкгс / мм);

Антифрикционного чугуна виды:

антифрикционный серый-АЧС,
антифрикционный высокопрочный вид-АЧВ,
антифрикционный ковкий вид-АЧК;

Чугун, имеющий шаровидный графит для отливок - ВЧ (цифры идущие после букв "ВЧ" означают временное сопротивление разрыва вкгс / мм;

В начале 16 века чугун начали выплавлять и в Российской империи. Плавка чугуна росла очень большими темпами и за время правления Петра 1 Россия была лидером по выплавке металла в Европе. Со временем литейные цеха начали отделяться от доменных, что дало импульс для развития независимых чугунно-литейных предприятий. В начале 19-го столетия заводы начинают производить ковкий чугун, а в конце 20-го столетия осваивают производство легированного чугуна.

Чугун является соединением железа с углеродом. Среди главных свойств можно выделить массу, форму, объем и размещение графитных примесей. В состоянии термодинамического равновесия строение сплавов железа с углеродами можно описать диаграммой. Во время модифицирования состава изменяется:

Температура эвтектики (о С) Т = 1135 + 5*Si - 35*P - 2*Mn + 4*Cr;
насыщенность эвтектики углеродом (%) С = 4,3 – 0,3*(Si+P) – 0,04*Ni – 0,07*Cr;
температура эвтектоидного превращения (о С) T = 723 + 20*Si + 8*Cr - 30*Ni - 10*Cu - 20*Mn;
насыщенность эвтектоида углеродом (%) C = 0,8 – 0,15*Si – 0,8*Ni – 0,05*(Cr+Mn).

Размещение критических точек зависит от степени нагрева – в случае охлаждения они перемещаются немного вниз. Установлены максимально точные простые формулы для подавляющего числа , не содержащего легирующих компонентов:

Насыщенность эвтектики углеродом C = 4,3 – 0,3*(Si+P);
насыщенность эвтектоида углеродом C = 0,8 – 0,15*Si.

Воздействие соединений на строение можно увидеть в таблице 1. Коэффициенты, определяющие условное графитизирующее воздействие, можно брать во внимание лишь в случае наличия (C) (около 3 %) и кремния (Si) (около 2 %).

Таблица 1. Ориентировочное влияние элементов на структуру чугуна

Элементы				Относительное графитизирующее действие
Элементы		На основную металлическую массу	На графит	При затвердевании	В твердом состоянии
		Уменьшение содержания перлита
		Уменьшение содержания перлита	Увеличение количества и укрупнение		от +0,2 до +0,5
Марганец	более 0,8 более 1,0	Размельчение перлита Образование сернистого марганца	Слабое размельчение То же, но уменьшение количества		от -0,2 до +0,5
		Образование сернистого марганца	То же, но уменьшение количества		от -0,2 до +0,5
		Образование сульфидов	Уменьшение количества
		Размельчение перлита	Увеличение количества и слабое размельчение		от +4 до -0,2
		Размельчение перлита	Уменьшение количества и слабое размельчение		от -1,2 до -3,0
		Не влияет	Не установлено		от +0,3 до -0,2
Молибден		Размельчение перлита. Образование игольчатой структуры			от -0,5 до -1,5
		Размельчение перлита	Уменьшение количества. Значительное размельчение
Алюминий		Уменьшение содержания перлита	Увеличение количества и укрупнение
Церий и магний			Сфероидинизация

Физико-механические свойства

Самые важные показатели физико-механических свойств микроструктуры чугуна можно найти в табл. 2, физических свойств – в табл. 3. Указанный в 3-й табл. удельный вес способен сильно отклоняться в связи с колебаниями объема соединенного углерода и изменениями количества пор. Удельная масса чугуна в момент его плавления равняется 7 ± 0,1 г/см 3 . При добавлении различных простых примесей она снижается. На указанный в таблице 3 коэффициент теплового расширения влияет строение чугуна.

Сильный невозвратимый прирост объема происходит в случае изменения температуры, при которой в физической системе происходит равновесный фазовый переход. Показатель может достичь 30 %, но зачастую он не превышает 3 % при разогреве до 500 о С. Приросту объема способствуют компоненты, образующие графиты, а мешают – компоненты, образующие карбиды, а также покрытие чугуна методом эмалирования, металлизирования и гальванизации.

Таблица 2. Физические и механические свойства структурных, составляющих нелегированного чугуна

Структурная составляющая

Удельный вес Г/см 3

Коэффициент теплового линейного расширения a*10 - в 1/ о С при температурах 20 -100 о С

Теплоемкость в кал/Г* o С при температуре в о С

Теплопроводность в кал/см*сек о С

Электросопротивление в мкОм 9 см

Предел прочности при растяжении σ в в кГ/мм 2

Удлинение σ в %

Твердость НВ

Аустенит

Цементит

Тепловые свойства

Показатель теплоемкости чугуна конкретного состава можно установить по закону смешения, используя информацию, приведенную в таблице 2. Она может равняться 0,00018 ккал/(г о С) при преодолении температурой порога фазового перехода, вплоть до температуры плавления. После преодоления температуры плавления – 0,00023 ± 0,00003 ккал/(г· о С). Тепловой эффект при застывании равняется 0,055 ± 0,005 ккал/г, а в случае эвтектоидного распада аустенита обуславливается объемом включенного перлита, и может достигать 0,0215 ± 0,0015 ккал/г при эвтектоидной концентрации 0,8 % С св.

Теплоемкость единицы объема этого вещества может использоваться для укрупненных вычислений: для чугуна в твердом состоянии – приблизительно 0,001 ккал/см 3 · о С, а в жидком состоянии – 0,0015 ккал/см 3 · о С.

Теплопроводность нельзя установить по закону смешения; указанные в табл. 2 ее показатели для элементов, при росте их размеров в дисперсных системах, понижаются. Типичные показатели теплопроводности указаны в табл. 3. Роль входящих в чугун компонентов в изменении теплопроводности можно увидеть на отклонениях уровня графитизации. Показатели теплопроводности железа снижаются при повышении объема входящих в него различных добавок.

Чугун в расплавленном состоянии имеет теплопроводность около 0,04 кал/см·с· о С.
С использованием укрупненных вычислений, коэффициент теплопроводности чугуна в твердом состоянии приравнивается к его теплопроводности, а в расплавленном состоянии – к 0,3 мм 2 /с.

Таблица 3. Типичные физические свойства чугуна

Тип чугуна				Примечание, с повышением температуры: "+" - повышается; "-" - понижается
Удельный вес Г/см 3
Коэффициент теплового линейного расширения a·10 -в 1/ о С, при температурах 20-100 о С
Действительная усадка в %
Теплопроводность в кал/см·сек о С
Динамическая вязкость при температуре ликвидус дин·сек/см 2
Поверхностное натяжение в дин/см 2
Электросопротивление в Мк · ом · см
Теплоемкость в кал/Г · о С
Коэрцитивная сила в э
Остаточный магнетизм в гс

Гидродинамические свойства

Показатели абсолютной вязкости можно найти в табл. 4. Вязкости свойственно снижаться при росте доли , а также в случае понижения части серы и добавок неметаллического происхождения, обусловленного температурными показателями.

Снижение показателей вязкости и соотношение абсолютных температур опыта и момента затвердевания находятся в прямой зависимости. Во время перехода температуры начала затвердевания, показатели вязкости стремительно возрастают.

Данные о поверхностном натяжении чугуна для проведения укрупненных вычислений можно взять из таблицы 3. Оно возрастает со снижением доли углерода и стремительно меняется при добавлении в состав компонентов неметаллического происхождения.

Для определения электрических характеристик можно воспользоваться законом Курнакова. Приблизительные величины примесей можно найти в табл. 2, а, конкретно чугуна – в табл. 3. Воздействие входящих компонентов на электрическое сопротивление твердого вещества условно можно разместить в такой последовательности, по убыванию: (Si), марганец (Mn), (Cr), (Ni), (Co).

Таблица 4. Коэффициенты вязкости чугуна

Температура в о С	Коэффициент вязкости в (дин · сек/см 2) чугуна с содержанием углерода в %
Температура в о С
Чугун застывает белым




Чугун застывает серым

Механические свойства

Статистические характеристики. Предел прочности (порог механического напряжения) чугуна можно вычислить качественным путем, исходя из его строения согласно показателям, указанным в таблице 2. Прочность компонентов, входящих в структуру чугуна, растет с повышением их взвешенных размеров в дисперсных системах. На порог механического напряжения наибольшее влияние оказывает строение, численность, объем и расположение графитных составляющих; структура общей массы металла не так важна.

Максимальное уменьшение прочности отмечается при размещении цепочкообразных компонентов графита, делающих структуру металла не такой непрерывной. Максимальные показатели прочности металлу придают сфероидальная структура графита. При увеличении температуры испытательного процесса, порог механического напряжения по большому счету не меняется вплоть до 400 о C (на промежутке от 100 до 200 о C прочность незначительно уменьшается, в пределах 10 – 15 %). После преодоления показателя в 400 о C фиксируется постоянная потеря показателей порога механического напряжения.

Характеристики пластичности обусловлены строением общей массы металла (согласно показателям, приведенным в таблице 2), но еще значительнее – формой графитных примесей. Если форма сфероидальная, то удлинение может доходить до 30 %. В сером чугуне такое удлинение практически никогда не достигает и десятой части процента. Удлинения в обожженном сером чугуне (с ферритным строением) могут составлять приблизительно 1,5 %.

Упругость обуславливается, по большому счету, графитной структурой. Она не меняется в процессе теплового воздействия на чугун, если не вносились изменения в форму графитных примесей. Тесты на изгиб показывают долю упругих деформаций равную 50 – 80 % от всей деформации.

Ползучесть чугуна не стоит путать со случаем роста (необратимого увеличения его объёма). Чугун, в составе которого отсутствуют легирующие компоненты, при нагревании, превышающем 550 о C, характеризуется остаточными деформациями, зависящими от его роста, преобладающими над деформациями, приемлемыми при определении ползучести. Если ее скорость равняется 0,00001 % в час, то за 1 тыс. часов при нагрузке в пределах 3 кг/мм 2 серый чугун без легирующих компонентов проявляет устойчивость при температурах в пределах 400 о C, а чугун, содержащий легирующие компоненты – вплоть до 500 о C. Повышения сопротивления ползучести можно добиться у аустенитного чугуна, а также у чугуна с добавкой молибдена или с повышенным наличием никеля и хрома.

Если в чугуне имеются добавки в виде графита, то его модуль упругости будет лишь условным. Этот показатель не обусловлен строением основного объема металла, и характеризуется долей графитных добавок и их строением: он снижается при повышении доли графитных добавок и при уменьшении их схожести с глобулярной структурой.

Ударная вязкость является не совсем точной характеристикой динамических качеств. Она растет с повышением включений феррита, в случае понижения включений графита, а также, когда структура графитной составляющей максимально схожа с шаровидной. При неравномерном периоде нагружений, предел усталости достигает максимума вследствие повышения напряжений, возникающих в направлении приложения нагрузки. Предел усталости повышается при росте порога механического напряжения и повторяемости нагрузок.

Технологические свойства

Жидкотекучесть определяется металлическими свойствами и структурой. Зачастую она зависит от длины заполняемой отливки, и возрастает при понижении вязкостных показателей, повышении перегрева (вместе с тем, больше всего на жидкотекучесть воздействует перегрев сверх температуры начала застывания), понижении промежутка застывания и обуславливается скрытой теплотой плавления и теплоемкости, выраженных объемом.

Химические свойства

Степень противодействия окислению обусловлена строением чугуна и окружающей средой (химический состав, температура и ее протекание). Входящие в состав чугуна элементы имеют электродный потенциал. По уменьшению этой величины их можно расположить в такой последовательности: графит (карбидное железо), двойная или тройная фосфидная эвтектика – оксифер.

Напряжение между графитом и оксифером (ферритом) равняется 0,56 вольтам. Степень противодействия коррозии понижается при соответствующем повышении уровня дисперсности входящих в состав компонентов. Тем не менее, слишком большое понижение уровня дисперсности карбидного железа понижает степень противодействия окислению. Легирующие компоненты воздействуют на способность чугуна противодействовать окислению вместе с их влиянием на структурный состав. Чрезмерное противодействие окислительным процессам отмечается у чугунных отливок со сберегшейся коркой после .

Чугун – сплав железа (Fe>90%) с углеродом (C от 2,14% до 6,67%).
Углерод может содержаться в чугуне в виде графита (С) или цементита (Fe3C).
Также чугун содержит примеси кремния, марганца, фосфора и серы.
Чугуны со специальными свойствами содержат также легирующие элементы – хром, никель, медь, молибден и др.

Чугун – наиболее широко применяемый материал для изготовления литых деталей, используемых при относительно невысоких напряжениях и малых динамических нагрузках. Преимущества чугуна в сравнении со сталью – высокие литейные свойства и небольшая стоимость. Чугуны также лучше обрабатываются резанием, чем большинство сталей (кроме автоматных сталей), но плохо свариваются, обладают меньшей прочностью, жесткостью и пластичностью.

В зависимости от состояния углерода в чугуне различают:
белый чугун
серый чугун (ГОСТ 1412 - "Чугун с пластинчатым графитом для отливок")
ковкий чугун (ГОСТ 1215 - "Отливки из ковкого чугуна")
высокопрочный чугун (ГОСТ 7293 - "Чугун с шаровидным графитом для отливок")

Белый чугун

В белом чугуне весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита Fe3C.
У белого чугуна высокая износостойкость и твердость, однако он хрупок и плохо обрабатывается резанием, поэтому в машиностроении они находят ограниченное применение и идут, в основном, в передел на сталь .
По содержанию углерода серый чугун подразделяют на:
Доэвтектический с содержанием углерода от 2,14% до 4,3%
Эвтектический с содержанием углерода 4,3%
Заэвтектический с содержанием углерода от 4,3% до 6,67%.

В сером, ковком, высокопрочном чугунах весь углерод или большая его часть находится в виде графита различной формы (их еще называют графитными).

Серый чугун

В структуре серых чугунов графит пластинчатой формы.
Серые чугуны содержат: 3,2-3,5% углерода, 1,9-2,5% кремния, 0,5-0,8% марганца, 0,1-0,3% фосфора и менее 0,12% серы.
Отливки деталей из серых чугунов получают в кокилях – земляных или металлических формах.
Серый чугун находит широкое применение в машиностроении. Ввиду невысоких механических свойств у отливок из серого чугуна и простоты получения их применяют для изготовления деталей менее ответственного назначения, деталей, работающих при отсутствии ударных нагрузок. В частности из них делают крышки, шкивы, станины станков и прессов.
Пример обозначения серого чугуна: СЧ32-52. Буквы обозначают серый чугун (СЧ), первое число обозначает предел прочности при растяжении (32 кгс/мм2 или 320 МПа), второе число – предел прочности при изгибе.

Ковкий чугун

В структуре ковких чугунов графит хлопьевидной формы.
Ковкие чугуны содержат: 2,4-3,0% углерода, 0,8-1,4% кремния, 0,3-1,0% марганца, менее 0,2% фосфора, не более 0,1% серы.
Ковкий чугун получают из белого чугуна в результате нагрева и длительной выдержки. Эту процедуру называют графитизирующим отжигом или томлением.
Пример обозначения ковкого чугуна: КЧ45-6. Буквы обозначают ковкий чугун (КЧ), первое число - предел прочности при растяжении (45 кгс/мм2 или 450 МПа), второе – относительное удлинение в % (6%).

Высокопрочный чугун

Высокопрочный чугун содержит графит шаровидной формы.
Он имеет наиболее высокие прочностные свойства.
Высокопрочный чугун содержит: 3,2-3,8% углерода, 1,9-2,6% кремния, 0,6-0,8% марганца, до 0,12% фосфора и не более 0,3% серы.
Высокопрочный чугун получают путем модифицирования (т.е. введения добавки-модификатора – магния) жидкого расплава. Модификаторы способствуют образованию графитных включений шаровидной формы, благодаря чему механические свойства такого чугуна приближаются к свойствам угеродистых сталей, а литейные свойства выше (но ниже, чем у серых чугунов).
Из высокопрочных чугунов изготавливают ответственные детали для машиностроения - поршни, цилиндры, коленчатые валы, тормозные колодки. Также из высокопрочного чугуна изготавливают трубы.
Пример обозначения высокопрочного чугуна: ВЧ45-5. Буквы обозначают высокопрочный чугун (ВЧ), первое число обозначает предел прочности при растяжении (45 кгс/мм2 или 450 МПа), второе – относительное удлинение в %.

В состав чугуна входят железо, углерод и разнообразные примеси, которые придают сплаву определенные свойства. Массовая доля углерода в материале должна быть не менее 2,14%, иначе это будет не чугун, а сталь. Этот элемент придает сплаву повышенную твердость, но снижает его ковкость и пластичность. Поэтому чугун является достаточно хрупким материалом. Из других постоянных примесей стоит выделить кремний, марганец, серу и фосфор. В некоторые марки чугуна вводят дополнительные присадки, которые позволяют придать сплаву дополнительные свойства. В качестве легирующих элементов используются хром, никель, ванадий и алюминий.

Плотность чугуна составляет 7,2 грамма на сантиметр кубический. Это является достаточно высоким показателем для металлов и их сплавов. Чугун отлично подходит для литья при производстве разнообразных изделий для всех отраслей промышленности. По этому показателю он незначительно уступает сталям некоторых марок, превосходя все остальные сплавы железа.

Температура плавления чугуна составляет 1200 градусов по Цельсию, что на 250-300 градусов ниже, чем необходимо для плавления стали. Это связано с повышенным содержанием углерода и как следствие его менее тесной связью с атомами железа на межмолекулярном уровне. При выплавке чугуна и последующей кристаллизации весь углерод не успевает внедриться в структурную решетку железа, поэтому чугун получается хрупким. Его не используют для производства продукции, которая будет эксплуатироваться под воздействием постоянных динамических нагрузок. Зато он идеально подходит для деталей, к которым предъявляется требование повышенной прочности.

Технология получения чугуна

Получение чугуна - очень материалоемкий процесс, требующий серьезных затрат. На получение одной тонны сплава уходит около 550 килограмм кокса и 900 литров воды. Затраты руды зависят от содержания в ней железа. Обычно используется сырье с массовой долей элемента не менее 70%, так как обработка более бедных руд экономически неоправданна. Такое сырье сначала проходит процедуру обогащения, а уже потом отправляется на переплавку. Производство чугуна проходит в доменных печах. Лишь около 2% от всего производимого в мире материала выплавляется в электропечи.

Технологический процесс состоит из нескольких взаимосвязанных этапов. На первом этапе в доменную печь загружают руду, которая содержит так называемый магнитный железняк (соединение двухвалентного и трехвалентного оксидов железа). Также в качестве сырья могут использоваться руды с содержанием водной окиси железа или его солей. Вместе с сырьем в печь загружают коксующиеся угли, которые предназначены для создания и поддержания высокой температуры. Кроме того продукты их горения принимают участие в химических реакциях в качестве восстановителей железа.

Дополнительно в топку подает флюс, который выступает в качестве катализатора и помогает породам быстрее плавиться, освобождаю тем самым железо. Стоит отметить, что перед попаданием в доменную печь руда проходит специальную предварительную обработку. Они измельчается при помощи дробильной установки, так как мелкие частицы быстрее расплавятся. Затем ее промывают, чтобы удалить все лишние элементы, которые не содержать металла. После этого высушенное сырье проходит обжиг в специальных печах, который позволяет удалить из соединений серу и другие чужеродные элементы.

Когда доменная печь загружена и готова к эксплуатации начинается второй этап производства. После запуска горелок кокс начинает разогревать сырье, выделяя при этом углерод, который, проходя через воздух, реагирует с кислородом и образует оксид. Этот оксид активно участвует в восстановлении железа из соединений, находящихся в руде. При этом, чем больше газа становится в печи, тем слабее протекает химическая реакция. После достижения определенной пропорции она им вовсе прекращается. Избыток газов используется как топливо для поддержания температуры в печи. Такой подход имеет несколько положительных моментов. Во-первых, снижаются затраты ископаемого горючего, что несколько удешевляет производство продукции. А, во-вторых, продукты горения не выбрасываются в атмосферу, загрязняя ее вредными примесями, а продолжают свое участие в технологическом процессе.

Избыток углерода смешивается с расплавом и, поглощаясь железом, образует чугун. Все не расплавившиеся элементы породы всплывают на поверхность и удаляются из материала. Отходы называют шлаком, который затем пойдет на производство других материалов. После удаления всех лишних частиц в расплав при необходимости добавляют разнообразные присадки. Таким способом получают два вида сплавов: передельный и литейный чугун.

Разновидности чугуна

Передельный материал используется для производства стали кислородно-конвертерным способом. Этот вид характеризуется низким содержанием марганца и кремния в составе сплава. Литейный чугун идет на производство разнообразной продукции. Он делится на пять разновидностей, который стоит рассмотреть более детально. Белый чугун является сплавом, в котором избыточная часть углерода содержится в виде цементита или карбида. Свое название он получил за характерный белый цвет в районе излома. Массовая доля углерода в нем составляет более 3%. Этот материал характеризуется повышенной ломкостью и хрупкостью, поэтому его использование весьма ограничено.

Применяется данный вид при производстве простых деталей, которые работают в статических условиях и не несут дополнительной нагрузки. Добавление в сплав легирующих присадок позволяет повысить технические характеристики материала. Для этих целей используется никель или хром, реже алюминий и ванадий. Марка данной разновидности, которая носит название «сормайт» используется в качестве нагревательного элемента в различных устройствах. Она обладает хорошими показателями удельного сопротивления и без проблем работает при температурах до 900 градусов по Цельсию. Из белого чугуна изготавливают ванны для бытовых нужд.

Серый чугун - наиболее распространенная разновидность материала, которая применяется во многих отраслях народного хозяйства. В этом сплаве углерод присутствует в виде графита, перлита или феррито-перлита. Массовая доля углерода находится на уровне 2,5%. Материал обладает высокой для чугуна прочностью, поэтому используется для производства деталей, имеющих циклическую нагрузку определенного уровня. Из него изготавливают втулки, корпуса различного промышленного оборудования, кронштейны, зубчатые шестеренки.

Графит значительно улучшает действие смазки и снижает влияние трения, так что детали обладают повышенной стойкостью к этому виду износа. При необходимости эксплуатации в агрессивных средах в состав серого чугуна вводятся дополнительные элементы, которые позволят выдержать негативное воздействие. К ним можно отнести никель, хром, молибден, бор, сурьму, медь. Эти элементы позволяют защитить чугун от влияния коррозии. Также некоторые из них повышают уровень графитизации свободного углерода в сплаве, что позволяет создать защитный барьер, через который не могут пробиться какие-либо разрушающие элементы.

Половинчатый чугун является промежуточным материалом между первыми двумя разновидностями. В нем часть углерода содержится в виде графита, а часть - в виде карбида. Также в сплаве могут в незначительных долях присутствовать цементит (до 1%) и лидебурит (до 3%). Массовая доля углерода в материале составляет 3,5-4,2%. Эта разновидность используется для производства деталей, которые будут проходить эксплуатацию в условиях постоянного трения. К ним относятся тормозные колодки для автомобильной промышленности и разнообразные измельчительные валки для станков. Для повышения износостойкости в сплав по традиции вводятся легирующие присадки.

Ковкий чугун является разновидностью белого сплава, который был подвергнут специальному отжигу с целью графитизации свободного углерода в составе материала. Этот вид обладает улучшенными демпфированными свойствами по сравнению со сталью. К тому же он менее чувствителен к надрезам и хорошо проявляет себя в работе при низких температурах. Углерод, массовая доля которого составляет до 3,5%, находится в сплаве в виде феррита, феррито-перлита или зернистого перлита с вкраплениями графита. Используется данный материал в автомобильной промышленности для изготовления деталей, работающих в условиях постоянного трения. Для повышения его эксплуатационных характеристик в сплав добавляют магний, бор и теллур.

Высокопрочный чугун получается в результате образования в сплаве шаровидной формы включения графита в металлическую решетку. Это ослабляет металлическую основу кристаллической решетки и приводит к появлению улучшенных механических свойств. Процесс образования шаровидного графита производится путем введения в сплав магния, церия, иттрия и кальция. По своим техническим характеристикам материал очень близок к высокоуглеродистой стали. Он хорошо поддается литью и способен заменять стальные литые элементы в механизмах. Высокий уровень теплопроводности позволяет использовать данный вид при изготовлении отопительных приборов и трубопроводов.

Какие трудности испытывает чугунная промышленность?

Перспективы развития чугунной промышленности выглядят не особо радужно. Высокий уровень затрат на производство одной тонны материала и большое количество отходов заставляют промышленников искать более дешевые заменители. Быстрое развитие науки уже сейчас позволяет получать лучшие сплавы при меньших затратах. А в условиях глобальной экологической опасности не обращать внимания на загрязняющий фактор производство недопустимо. Поэтому металлурги по всему миру отказываются от доменных печей в пользу электрического оборудования.

Но перевести выплавку чугуна на эти рельсы в кратчайшие сроки физически невозможно. Это потребует колоссальных финансовых затрат, которые не потянет ни одно государство. Так что остается лишь ждать, как скоро промышленники сумеют наладить массовый выпуск новых сплавов. Полностью отказаться от чугуна в ближайшие десятилетия, конечно, не получится, но его мировое производство неуклонно будет снижаться. Эта тенденция наблюдается уже в течение последних 5-7 лет.