Серый чугун

Виды чугуна

В основном чугун классифицируют по форме углерода, который содержится в сплаве.

Белый чугун

Белый чугун имеет характерный окрас скола, так как углерод (С) входит в состав в виде цементита (Fe3C), который образуется когда расплав остывает. Цементит – это твердый тугоплавкий материал.

В доэвтектическом сплаве углерод содержится в перлите и ледебурите. В эвтектическом сплавеуглерод входит в состав ледебурита. В заэвтектическом он содержится в первичном цементите и ледебурите.

В первоначальном виде он нигде не используется, т.к. его тяжело обрабатывать инструментами при механической обработке. Конечно, возможно использовать насадки из карбидов (ВК), но трудоемкость процесса очень велика. Поэтому белый чугун используется в качестве сырья для получения ковкого чугуна.

Серый чугун

Серый чугун также берет свое названия от оттенка на сколе. Он имеет в составе фракции графита, которые могут иметь разную форму. При добавке кремния, он способствует осаждению углерода.

Физико-механические свойства, а также структура серого чугуна, зависят от условий остывания после кристаллизации.

Быстрое охлаждение приведет к преобладанию перлита в составе чугуна. Закалка (другими словами термообработка) может повысить прочность и твердость, но при этом чугун становится хрупким, что может быть не приемлемо.

Медленное остывание приводит к росту содержания феррита. Феррит – это сплав железа с оксидами, в основном с Fe2O3. При таких условиях улучшается пластичность.

Поэтому условия, при которых остывает сплав, выбирают, ориентируясь на желаемые параметры конечного продукта.

Серый чугун используется для литых изделий и конструкций (чугунного литья).

Он имеет невысокую температуру отвердения, хорошую жидкотекучесть, нет склоненности к образованию раковин. Серый чугун хорошо реагирует на сжатие, но плохо противостоит растяжению/изгибу. Это происходит из-за углеродных вкраплений, которые приводят к низкой трещиностойкости.

Маркировка серого чугуна состоит из символов СЧ (серый чугун) и цифры, которая обозначает предельную прочность в кг/мм2: например, СЧ35. В наиболее распространенных чугунах содержание углерода ниже 3,7%.

Ковкий чугун

Для производства ковкого чугуна, белый чугун нагревают до необходимой температуры, выдерживают определенное время, и потом медленно охлаждают (процесс называется «отжигом»). Это способствует процессу распада Fe3C и выделению графита с образованием феррита.

При этом включения углерода по не имеют схожести с аналогичными в сером чугуне. Поэтому стойкость к разрыву и ударная вязкость из-за этих различий характерна ковкому чугуну.

Маркировка ковкого чугуна состоит из букв «КЧ» и добавления цифр, которые указывают на допустимую прочность на растяжение в МПа х 10-1 и максимальное относительное удлинение. Например: КЧ 37-12.

Высокопрочный чугун

Высокопрочный чугун это вид серого чугуна, в котором графитовые образования имеют шаровидную форму. Из-за такой округлости включений кристаллическая решетка становится не склонна к образованию трещин.

Высокопрочные чугуны имеют ценные первичные свойства чугунов (стойкость к сжатию, жидкотекучесть и т. д.), при этом имеют характерные для сталей предел текучести при растяжении, трещиностойкость и пластичность.

Маркируется аналогично ковкому, но с буквами «ВЧ».

Передельный чугун

Передельный чугун используется как сырье для выплавки стали. При этом он может даже не покидать предприятие, где его произвели.

Специальный чугун

К таким видам чугуна относят антифрикционный чугун и легированный чугун.

Выпуск этих марок имеет не большой объем, примерно до 2% от всего впускаемого чугуна. Такие виды чугуна могут иметь в составе большое количество легирующих элементов. Сфера использования имеет ограниченные цели и специфические условия.

Антифрикционный чугун может использоваться для изготовления деталей, подвергающихся трению. Основным компонентом для легирования является хром, также могут использоваться никель, титан, медь и другие металлы. Он имеет высокую твердость (до HB 300) и низкий коэффициент трения (до 0,8 при отсутствии смазки).

Базовыми материалами для производства антифрикционного чугуна являются серый, ковкий и высокопрочный чугуны. Маркируется соответственно – АЧС, АЧК, АЧВ.

Состав и структура металла

Производство чугуна и стали — важная отрасль в жизни страны. И для начала мы поговорим про состав первого металла.

Чугун делают из железосодержащей руды. После производства чугун имеет следующий состав:

• Железо, в состав которого входит углерод.
• Марганцевую примесь.
• Серную примесь.
• Фосфорную примесь.
• Кремневую примесь.

Процентное содержание углерода в чугуне составляет примерно 2,14%.

Чугун бывает несколько видов: белый и серый. Каждый вид имеет индивидуальный состав и структуру.

Данное видео расскажет о составе чугуна и стали, а также нюансах их производства:

Белый вид

Благодаря особенностям состава белый чугун имеет светлый оттенок. Рассмотрим состав белого чугуна:

• Цементит (в этом состоянии здесь находится углерод).
• Перлит.
• Ледебурит.
• Кремний.
• Фосфор.
• Марганец.
• Сера.

Серый вид

В составе серого чугуна отсутствует один компонент (ледебурит). Серый чугун состоит из:

• Графита (в этом виде здесь представлена некоторая часть углерода).
• Перлита.
• Кремния.
• Фосфора.
• Марганца.
• Серы.

Углерод и иные компоненты

• Самый главный элемент в чугуне, конечно же, углерод. В зависимости от его количественного содержания получается материал различного сорта.
• После углерода, на втором месте стоит кремний. Его процентное содержание влияет на мягкость, текучесть и литейный свойства материала.
• Благодаря такому элементу, как марганец, чугун приобретает прочность.
• Наличие фосфора в материале делает его способным быстро образовывать трещины в холодных отливках. Кроме этого, эта примесь существенно снижает механические свойства чугуна. Из-за фосфора чугун получается твердым и очень прочным. Но такой чугун не используют для производства деталей, от которых требуется повышенная прочность.
• Самое вредная примесь – это сера. Ее наличие отрицательно влияет на тугоплавкость и жидкотекучесть материала.

Если разломить белый и серый чугун, то можно увидеть совершенно разные структуры. Визуально структуру серого чугуна можно представить в виде металлической матрицы с кристаллами графита. Матрица может иметь совершенно разный вид. Различают:

• Ферритный вид (в составе структуры нет связанного углерода).
• Феррито-перлитный вид (есть связанный углерод в количестве до 0,8%).
• Перлитный вид (количество углерода 0,8%).

На структуры влияет температура. В случае быстрого охлаждения получается перлитная структура, а в случае медленного – ферритная.

Графит

В зависимости от формы графита различают:

• Ковкий чугун (кристаллы графита имеют хлопьевидную форму).
• Высокопрочный чугун (кристаллы графита имеют сферическую форму).
• Обыкновенный серый чугун (графит имеет пластинчатую форму).

Графит может включаться в структуру серого чугуна различным способом. В зависимости от этого чугун бывает:

• С гнездообразной структурой.
• С игольчатой структурой.
• С пластинчатой прямолинейной структурой.
• С пластинчатой завихренной структурой.

Если сравнивать между собой белый и серый чугун, то наиболее применяемым является серый. Белый чугун проблематично порезать, он трудно отливается. К тому же ему свойственны твердость и хрупкость.

Химический состав

Чугуны могут изготавливаться по назначению. В зависимости от назначения и определенного химического состава, чугуны бывают:

1. Высокопрочные. Высокопрочный чугун получают путем введения в серый чугун (состояние жидкое) специальных добавок. Его используют для очень ответственных деталей. Высокопрочным чугуном часто заменяют сталь.
2. Ковкие. Ковкий чугун получают из белого. Для производства применяют термообработку. Ковкий чугун обладает хорошей вязкостью, высокой пластичностью, повышенным сопротивлениям к ударам и растяжением.
3. Легированные. Легированный чугун содержит практически все элементы. То есть в его состав входит титан, хром, никель, сера. Материал отличается износостойкостью, твердостью и прочностью. Такой вид чугунов преимущественно используют для производства деталей машин с высокими механическими свойствами. В зависимости от преобладающего элемента чугуны бывают никелевые, хромистые и титановые.
4. Специальные (ферросплавы). В специальном чугуне присутствует высокое содержание нескольких элементов: это кремний и марганец. Такие чугуны в основном идут для плавки стали и позволяют удалить из стали вредную примесь (кислород).

Далее рассмотрены литейное, доменное и иные процессы в производстве чугуна, а также указаны исходные материалы для этого.

О производстве чугуна и стали расскажет данный видеоролик:

https://youtube.com/watch?v=pf5xBeVTFZk

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом — история появления

Впервые об успешном производстве структур сфероидального графита в составе серых чугунов сообщила Британская исследовательская ассоциация. Информация появилась в 1948 году, когда проходил ежегодный конгресс Американского литейного общества.

Экспериментально серо-гипертонический чугун с церием добавлялся в виде мишметалла незадолго до начала процесса литья. Чуть позже исследователи Международной никелевой компании США нашли способ получения структуры сфероидального графита в литом состоянии путём введения одной из двух добавок в железо:

• гиперэвтектической (с небольшим, но эффективным количеством магния),
• магнийсодержащей (например, добавка никель-магниевого сплава).

Последний вариант оказался коммерчески жизнеспособным и в настоящее время универсально используется для производства высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.

Разница структурной составляющей: А – серого чугуна; В – ковкого («пластичного») чугуна; 1 – форма графита серого чугуна; 2 – форма графита ковкого пластичного чугуна

Однако механизм образования графитовых узелков до настоящего момента остаётся предметом серьёзных споров учёных. Различные исследовательские группы выдвигали различные теории, но ни одна из выдвигаемых теорий не получила всеобщего признания.

Как правило, высокопрочный чугун с шаровидным графитом производится путём окомкования серого чугуна. Соответственно, расплав серого железа в первую очередь обессеривается. Десульфурацию требуется проводить неизменно, а рекарбюризацию следует выполнять лишь в случае необходимости.

Когда базовое железо требуемого состава готово, структура соответствующим образом обрабатывают для сфероидизации. После этого проводят последующие инокуляции, расплав заливают в формы как можно быстрее, чтобы избежать эффекта выцветания.

Серый и высокопрочный чугун с шаровидным графитом — различия

Инженерное применение чугуна традиционно основывалось на серых (чешуйчато-графитовых) чугунах, обеспечивающих диапазон значений прочности на разрыв в диапазоне 150 — 400 Н/мм2, с рекомендуемым расчётным напряжением при растяжении.

В отличие от этого пластичные чугуны имеют предел прочности на разрыв в диапазоне 350 — 1500 Н/мм2 с хорошим удлинением и высокой ударной вязкостью. В настоящее время на долю таких продуктов приходится около 25% производства чугунных отливок, заменивших стальное литьё, ковку.

Пластичный чугун обеспечил производство уникальных деталей самого разного назначения, которые ранее производились посредством литья из стали или иным образом

Отсюда следует очевидный вывод: самые высокие механические свойства серого чугуна являются отправной точкой для производства отливок из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.

Выраженные свойства высокопрочного чугуна с шаровидным графитом

Так называемое «пластичное железо» обладает рядом интересных свойств. Эти свойства отмечены ниже:

высокая степень прочности (в некоторых вариациях выше стали),

• достаточная пластичность,
• превосходное литьё,
• хорошая обрабатываемость,
• более низкая плотность, чем у стали,
• хорошие поверхностные свойства смазки,
• улучшенные демпфирующие характеристики.

Сравнение

Основное отличие серого чугуна от белого в том, что в первом имеется небольшой процент связанного углерода, во втором — наоборот, присутствует главным образом связанный углерод. Данная особенность предопределяет разницу между рассматриваемыми металлами в аспекте:

• твердости;
• цвета на изломе;
• устойчивости к износу;
• хрупкости;
• обрабатываемости ручным инструментом;
• сферы применения;
• процента связанного и свободного углерода;
• процента кремния, марганца, фосфора.

Более наглядно изучить то, в чем разница между серым и белым чугуном заключается в указанных аспектах, нам поможет небольшая таблица.

«Белый» чугун

Белый чугун – железоуглеродный сплав, в котором весь углерод находится в связанном состоянии (в виде цементита Fe₃C). Содержание данного неметалла – до 3,8%. И это значительно изменяет эксплуатационные свойства материала. Других примесей, к слову, практически нет.

Белый чугун характеризуется твёрдостью – и при этом он очень хрупкий. Разрушение или деформация изготовленного из него изделия может произойти вследствие как механических, так и термических внешних факторов. Кроме того, данный сплав практически не обладает важными для производства конечных продуктов качествами.

Так, он не пластичен, плохо поддаётся литью, устойчив к резанию и ковке. Из-за этого изготовить из него предметы сложной геометрии или малых размеров не представляется возможным.

Да и сам по себе «белый материал» практически не используется в производстве. Он служит основой для других сплавов – включая высокопрочный и ковкий. Кроме того, его очень часто переделывают в сталь – соединения железа с углеродом в малых количествах (до 0,6%) и другими постоянными либо легирующими примесями.

Итак, подведём итоги.

Достоинства

• Чистота материала (малое содержание сторонних примесей);

• Прочность, не поддаётся резанию и другим деформирующим воздействиям;

• Износоустойчивость.

Недостатки

• Крайне низкие эксплуатационные качества, практически не поддаётся обработке;

• Малая текучесть, вследствие чего сложен в литье;

• Хрупкость, легко трескается и разрушается даже при незначительных ударных воздействиях.

Все эти недостатки делают белый чугун неподходящим для использования ни в машиностроении, ни в других сферах. Поэтому он практически нигде и не применяется. Зато на его основе с легированием сторонними примесями или, напротив, очисткой получают другие практичные и широко использующими сплавы.

Тест на хрупкость

Бросьте тонкую пластинку каждого из металлов и бросьте его на землю с некоторым усилием. Чугун сломается на множество частей, в то время как сталь не сломается, или сломается на две части. Это потому, что чугун более хрупкий, сталь.

«Крепка как сталь». Сколько раз вы слышали такое? Но ни разу не слышали: «Крепок как чугун». Многовековая история чугуна привела металлургов, литейщиков и конструкторов к убеждению, что чугун хорошо воспринимает лишь сжимающие нагрузки. Он хорошо работает на сжатие. Там же, где нужна высокая прочность при растяжении, чугун непригоден. Причина малой прочности чугуна объясняется его природой. Ведь чугун отличается от стали более высоким содержанием углерода. В железе же растворяется лишь часть его. Остальное количество образуют графитовые включения. В структуре обычного серого чугуна эти включения выглядят как удлиненные пластинки, разрезающие железную основу (рис. 13,а). Они хорошо видны под микроскопом. Включения пластинчатого графита можно уподобить трещинам в металле, заполненным мягким материалом — графитом. Включения графита и являются концентраторами напряжений. Стоит появиться растягивающему усилию, как чугунные изделия легко разрываются. И причиной такой слабой прочности являются включения пластинчатого графита.

А нельзя ли эти включения графита уменьшить в размерах? Придать им не удлиненную (вытянутую) форму, а сделать эти включения более компактными? Приблизить их к сферической форме?

Ковкий чугун, который не куется

. Опыт показал, что если изделие отлить из белого чугуна (в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбида железа) и затем эту отливку подвергнуть длительному отжигу при высокой температуре (выше 1000° С), то включения графита принимают совсем иную форму. Форма их становится хлопьевидной (рис. 13,6). Эти включения более компактны, они меньше надрезают металлическую основу, и такой чугун оказывается значительно более прочным. Он уже может работать на растяжение. Такой чугун называют «ковким», хотя в действительности он еще не настолько пластичен, чтобы его можно было ковать.

Теперь сделаем количественное сравнение. Прочность при растяжении измеряется в килограммах, отнесенных к одному квадратному миллиметру сечения. Представим себе проволоку сечением 1 мм 2 . Подвесим один конец ее к потолку, а к спущенному вниз концу будем подвешивать грузы. Какой максимальный груз выдержит проволока прежде чем разорвется? Проволока из чистого железа выдерживает примерно 25, а стальная до 70 кгс/мм 2 .

Серый чугун, как мы уже говорили, на растяжение работает плохо и выдерживает лишь 12-15 кгс/мм 2 . А вот ковкий чугун оказывается прочнее — он может выдержать от 30 до 60 кгс/мм 2 . Но ковкий чугун дорог. Дорог из-за того, что отлитые детали нужно еще запаковать в ящики, пересыпать их либо коксиком, либо рудой, погрузить в печь и выдержать их при температуре 950-1050° С в течение по крайней мере суток. Раньше цикл отжига длился 4-5 суток. Теперь его сумели сократить до 24-20 ч, но и это значительно удорожает чугун.

Чугун прочнее стали?

За счет чего выросла в 2- 3 раза прочность ковкого чугуна? Только за счет изменения формы графитовых включений. Вместо длинных пластинок углерод после отжига белого чугуна принял более компактную форму (в виде хлопьев), размеры их значительно уменьшились по сравнению с размерами пластинок углерода в сером чугуне.

А нельзя ли размеры включений углерода сделать еще меньшими, а форму их — еще более компактной?

Оказалось и это возможно. Достичь этого удалось модифицированием чугуна, т. е. введением в жидкий чугун небольших добавок таких веществ, которые обеспечивают выделение графита в чугуне в виде крошечных шариков (рис. 13, в). Чугун с Шаровидным графитом получается при вводе в него магния, церия, иттрия, бария. Способствуют этому кремний, кальций и некоторые другие элементы.

Развитие промышленности и создание синтетических материалов не способно умалить достоинства и преимущества традиционных материалов. К таким можно отнести чугун и сталь. Это одни из самых старых знакомых сплавов для человеческой цивилизации.

Технология ремонтных и конструкторских работ зачастую включает в себя различные виды обработки. Это может быть:

• механическая
• химическая
• термическая
• электролитическая
• плазменная и другие виды обработки.

Несмотря на тот факт, что чугун и сталь отличаются друг от друга мизерной разницей содержания углерода, способы и методы воздействия факторов на эти сплавы разнятся и требуют разных способов одного и того же метода влияния на форму и структуру металла.

Производство

Технология промышленного извлечения железа из железосодержащего сырья и получение чугуна достаточно трудоёмкая и сложная. Нет смысла описывать все химические и технологические процессы и углубляться в терминологию. Изучить вопрос можно при желании в источниках по металлургии.

Чугун выплавляют из магнитного, красного, бурого железняка, на металлургических комбинатах, в специальных доменных печах. Топливом служит кокс, который частично могут заменять мазутом или газом.

Руда проходит предварительную подготовку, прежде чем попасть в доменную печь. Помимо руды и топлива, для плавки используют флюсы – известняки, необходимые для образования шлака и удаления серы из расплава.

Методы подготовки зависят от качества руды – это дробление, сортировка, окусковывание, обогащение и другие.

Пройдя все сложные процессы, руда превращается в шихту, которая непрерывно загружается в доменную печь.

Через фурмы в нижней части подается раскаленный воздух, обогащенный кислородом и природный газ, который сгорает под воздействием высоких температур, образуя диоксид кислорода. Поднимаясь выше, газ соединяется с кислородом и с еще не сгоревшим углеродом, преобразуясь в угарный газ СО. Он вступает в реакцию с оксидами железа, «отбирая» у них кислород.

В результате образуется почти чистый металл. Расплавленная чугунная масса стекает в горн. Несгораемые остатки также стекают вниз.

Готовый чугун сливают через определенные промежутки времени в специальные ковши.

Пока в печи идет процесс плавки, отверстие, через которое выпускают чугун, забивают специальной пробкой из тугоплавкой массы. Чтобы выпустить металл, в пробке пробивают отверстие. По специальным каналам в полу цеха поток расплавленного металла течет «красным сливом».

Жидкий шлак также выпускают из печи по другому каналу.

С каждой плавки берется проба. Металл заливают в специальную форму и делают анализ. Все процессы автоматизированы. За ними следят операторы.

А простому обывателю домна представляется гигантской пробиркой, в которой происходит «таинство» превращения железной руды в чугун.

Высокопрочный чугун применение

На машиностроительных заводах производят в основном ферритный ковкий чугун, и в крайне незначительном количестве перлитный, при всем при том, что последний и обладает высокрй прочностью, износостойкостью, хорошо работает в условиях повышенных температур, обладает высокой усталостной прочностью, хорошо гасит вибрации и т. %

Существенной особенностью чугуна является то, что он применяется для изготовления как маленьких деталей весом в несколько сот граммов (например, поршневых колец), так и очень крупнейших деталей весом до 150 т в одной отливке (например, шаботы ковочных молотов, станины и рамы прессов и прокатных станов ); как подробностей с низкими стенами (до 1000 мм), так и подробностей, обладающих высокие стенки (3 — 5 мм). Подробности могут применяться как в литом состоянии, так и после соответствующей тепловой обработки.

Высокопрочный чугун – это чугун, в котором графит имеет шаровидную фигуру. Повышение крепости и пластичности чугуна достигается модифицированием, обеспечивающим получение глобулярного (сфероидального ) графита вместо пластинчатого. Поверхность графита сфероидальной формы имеет меньшее касательство к объему и определяет наибольшую сплошность металлической основы и прочность чугуна. Такая форма графита получается при присадках в жидкий чугун магния (М) или церия (Се).

Из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом изготавливают отливки развесом от десятых долей килограмма до нескольких десятков тонн. Свойства ВЧШГ очень различны, поэтому высокопрочный чугун применяется: взамен серого чугуна — для удлинения срока службы отливок (изложниц, прокатных валков, поршней, поршневых колец и др.); взамен стали — с целью упрощения и удешевления производства, сокращения числа металла и рационализации конструкции отливок (коленчатых валов, траверс, шестеренок и др.); взамен цветных сплавов — целью сокращения расхода дефицитных металлов и снижения стоимости автомобилей.

Несмотря на то, что серый чугун легче обрабатывается резанием, есть отдельные трудности: при обработке выделяется внушительное количество теплоты. Именно поэтому на твердосплавные пластины для обработки чугуна наносится достаточно низкое многослойное покрытие (около 20 мкм), содержащее в себя слой оксида алюминия (Al 2 O 3). Al 2 O 3 отстаивает основу твердосплавной пластины от перегрева, кроме того, оксид алюминия весьма химически стабилен: он не вступает в реакцию с чугуном, что позволяет избежать химического износа пластины. Твердосплавные пластины с подобным покрытием делают на скоростях резания 300 — 450 м/мин.

Для равномерного распределения нагрузки между раструбом и толкателем вставляется компрессионное тонкое деревянное кольцо из мягких пород дерева, играющее роль подушки. Труба производится стандартной длины 5 м и располагает средние для данного образа соединений показатели расчетного давления. При прокладке труба проталкивается толстым краем вперед, что позволяет обломкам породы во время проходки трубы постепенно миновать раструб соединения FASTITE. Внутреннее цементно — песчаное покрытие является шаблонным для труб МТ, GS и неподвижных соединений. Трубы ВЧШГ поставляются американскими компаниями и с остальными наружными и внутренними покрытиями, соответственными характерным условиям эксплуатации.

По сравнению с металлической основой графит имеет низкую прочность. Поэтому графитовые включения можно считать нарушениями сплошности (пустотами ) в металлической основе, и чугун можно рассматривать, подобно стали, пронизанную включениями графита, ослабляющими его металлическую основу. Совместно с тем наличие графита определяет и ряд преимуществ чугуна: хорошая жидкотекучесть и малая усадка; хорошая обрабатываемость резанием (графит делает стружку ломкой); высокие демпфирующие свойства; антифрикционные свойства и др.

его применение может оказаться экономически эффективным, если же температура в зоне резания будет оставаться ниже 700° С . Для этого выбирается инструмент с нулевым наклоном режущей кромки и тыльным углом 7°, сама колющая кромка должна быть тонкой, любая фаска увеличивает сопротивление, а значит и выделение тепла. Обязателен подвод СОЖ через инструмент, а также обильный наружный подвод СОЖ. Рекомендуемые режимы резания для серого чугуна: скорость резания 150 м/мин, подача 0, 12 мм/об и глубина резания 0, 25 мм. При этом достигается поразительная стойкость.

Похожие посты:

• Подвесной подшипник зил
• Подшипник генератора 2110
• Нержавеющий швеллер
• Выжимной подшипник ваз
• Подшипник первичного вала кпп…