Постоянные полезные примеси входящие в состав чугуна
Обычный промышленный чугун — не двойной железоуглеродистый сплав — он содержит те примеси, что и углеродистая сталь, т. е. марганец, кремний, серу и фосфор, но в большем количестве, чем сталь. Эти примеси существенно влияют на условия графитизации и, следовательно, на структуру и свойства чугуна.
Кремний особенно сильно влияет на структуру чугуна, усиливая графитизацию. Содержание кремния в чугунах колеблется в широких пределах: от 0,3-0,5 до 3-5 %. Изменяя содержание кремния, можно получить чугуны, совершенно различные по свойствам и структуре — от малокремнистого белого до высококремнистого ферритного (серого с пластинчатым или высокопрочного с шаровидным графитом).
Марганец в отличие от кремния препятствует графитизации или, как говорят, способствует отбеливанию чугуна.
Сера также способствует отбеливанию чугуна, но одновременно ухушает литейные свойства (в частности, снижает жидкотекучесть), поэтому содержание серы в чугуне лимитируется: верхний предел для мелкого литья для более крупного, когда можно допустить несколько худшую жидкотекучесть, до
Фосфор практически не влияет на процесс графитизации. Однако фосфор — полезная примесь в чугуне, так как он улучшает жидкотекучесть. Это объясняется образованием относительно легкоплавкой тройной эвтектики, плавящейся при . В момент затвердевания эвтектика состоит из аустенита, обогащенного фосфором, цементитом и фосфидом железа — «Стэдит».
Твердые участки фосфидной эвтектики повышают общую твердость и износоустойчивость чугуна.
Кроме этих постоянных примесей, в чугун часто вводят и другие элементы. Такие чугуны называются легированными. Если примеси содержались в рудах, из которых в доменной печи выплавляется чугун, то такие чугуны называются природно-легированными. Наиболее часто чугун легируют хромом, никелем, медью, алюминием, титаном. Хром препятствует, а медь и никель способствуют графитизации чугуна.
В настоящее время еще нет удовлетворительно разработанной теории, объясняющей влияние легирующих элементов на графитизацию.
Рис. 168. Структурная диаграмма для чугуна, показывающая, какая должна получиться структура в отливке в зависимости от: а — содержания кремния и углерода (толщина стенки 50 мм): б — суммы содержаний углерода и кремния и от толщины стенки; I — белые чугуны; II — перлитные чугуны; III — серые ферритные чугуны
Во всяком случае растворение в цементите таких элементов, как хром, марганец, вольфрам, молибден, ванадий, препятствуют графитизации. Большинство остальных элементов, встречающихся в чугунах, нерастворимо в цементите и способствует графитизации. Этот вопрос рассматривается во многих теоретических и экспериментальных работах (М. Г. Окнова, К. П. Бунина, И. Н. Богачева и др.).
Для приближенного определения структуры чугуна в зависимости от содержания примесей пользуются так называемыми структурными диаграммами, одна из которых приведена на рис. 168, а. Из диаграммы видно, какой будет структура у отливок с толщиной стенок 50 мм в зависимости от содержания в чугуне углерода и кремния (содержание марганца постоянно и равно
Практикой было отмечено, что в одной отливке чугун может иметь разную структуру. В тонких частях отливки, у ее поверхности степень графитизации меньше, чем в более массивных частях и в сердцевине. Другими словами, там, где скорость охлаждения была больше, образуется больше цементита, а там, где чугун охлаждается медленнее — больше графита. Факторы, определяющие степень графитизации в чугуне, — это содержание углерода и кремния, а также скорость охлаждения.
Чтобы определить, как зависит структура чугуна от состава (содержание углерода и кремния) и скорости охлаждения (толщина стенки отливки), можно воспользоваться другой структурной диаграммой (рис. 168, б).
Источник
Промышленное значение имеет чугун с содержанием углерода от 2 до 4,3 % •
Углерод, являющийся важной составляющей, может находиться в чугуне в двух состояниях: в связанном с железом в виде цементита, в свободном в виде пластинчатого графита.
В чугуне содержатся также постоянные примеси кремния, марганца, серы и фосфора.
Кремний увеличивает жидкотекучесть, способствует разложению цементита (с выделением углерода в виде графита) и получению серого чугуна. В белом чугуне кремния содержится не более 2 %, а в сером от 1 до 4 %.
Марганец препятствует графитизации, образуя с углеродом карбиды Мп3С, способствует получению белого чугуна. Поэтому в белых чугунах марганца содержится от 1 до 3 %, а в серых не более 1,3 %
Сера является вредной примесью. Она понижает прочность, увеличивает хрупкость, ухудшает литейные свойства чугуна, так как придает ему пузырчатость и густотекучесть. Повышенное содержание серы вызывает красноломкость. Сера переходит в чугун в основном из топлива и в небольших количествах из руды. В чугуне серы должно быть не более 0,08%.
Фосфор понижает прочность и увеличивает хрупкость чугуна. Повышенное содержание фосфора вызывает хладноломкость металла. Содержание фосфора в чугунах, предназначенных для изготовления ответственных отливок, должно быть не более 0,2%. Одновременно фосфор улучшает литейные свойства чугуна, так как уменьшает усадку и увеличивает жидкотекучесть металла, а следовательно, способствует лучшему заполнению формы. Это позволяет получить из чугуна с повышенным содержанием фосфора тонкие отливки с чистой и гладкой поверхностью, что очень важно для художественного литья.
Белый и серый чугуны
Выплавленный в доменных печах чугун в зависимости от вида содержащегося углерода делится на белый , (передельный) и серый (литейный). Белым {передельным) называется чугун, в котором углерод находится в виде цементита, он имеет в изломе белый цвет (поэтому его называют белым), обладает высокой твердостью и хрупкостью, не поддается механической обработке. Серым, (литейным) называется чугун, в котором углерод находится в виде пластинчатого графита, он имеет в изломе серый цвет (поэтому его называют серым), обладает меньшей твердостью и хрупкостью, чем белый чугун, поддается механической обработке.
Белый чугун составляет около 80 % всех выплавляемых чугунов и идет в основном для переделки в сталь. По назначению он делится на три класса: мартеновский, предназначается для переделки в сталь в мартеновских печах, бессемеровский— для переделки в сталь в бессемеровских конвертерах, томасовский переплавляют в сталь в томасовских конвертерах.
Серый чугун хорошо сопротивляется сжимающим нагрузкам, нечувствителен к поверхностным дефектам и удовлетворительно сопротивляется усталостному разрушению, но из-за низкой пластичности и ударной вязкости его использование в качестве конструкционного материала ограничено.
В соответствии с ГОСТ 1412—79 различают следующие марки серого чугуна: СЧ00, СЧ12-28, СЧ15-32, СЧ18-36, СЧ21-40, СЧ24-44, СЧ28-48, СЧ32-52, СЧ36-56, СЧ40-60, СЧ44-64.
Буквы в марке обозначают серый чугун, две первые цифры—-предел прочности на растяжение (кгс/мм2), две последние цифры — предел прочности при изгибе (кгс/мм2). В марке СЧ00 показатели прочности и твердости не определяются.
Механические свойства серого чугуна приведены в табл.12.
Все серые чугуны по содержанию фосфора делятся на гематитовые, обыкновенные и фосфористые.
Гематитовые чугуны выплавляются из чистых гематитовых руд, содержащих незначительное количество вредных примесей. Они содержат не более 0,1 % фосфора и применяются для ответственного литья.
Обыкновенные чугуны содержат до 0,3% фосфора и используются для менее ответственного литья, чем гематитовые.
Фосфористые чугуны содержат до 1,2% фосфора и применяются для литья, требующего тонкой, чистой и гладкой поверхности.
В судостроении из серого чугуна изготовляют гребные винты, дейдвудные трубы, детали арматуры, кнехты, киповые планки, роульсы и т. п.
Разновидностью серого чугуна является ковкий чугун. Это условное название более мягкого и вязкого чугуна, чем серый, получаемого из белого чугуна в результате длительного отжига. Ковкий чугун, как и другие чугуны, не куется. Существуют следующие марки ковкого чугуна по ГОСТ 1215—79: КЧЗО-6, КЧЗЗ-8, КЧ35-10, КЧ37-12, КЧ45-6, КЧ50-4, КЧ56-4, КЧ60-3 и КЧ63-2.
Буквы в марке означают сокращенное название ковкий чугун, две первые цифры — предел прочности на растяжение (кгс/мм2), одна или две последние цифры — относительное удлинение (%).
Ковкий чугун обладает хорошими механическими свойствами и высокой стойкостью к коррозии. В судостроении из него изготовляют малонапряженные детали судового оборудования, дельные вещи и арматуру (детали клапанов и задвижек, иллюминаторы, дверные ручки и т. п.).
Модифицированный чугун получают путем введения в жидкий серый чугун перед разливкой специальных элементов, называемых модификаторами, например алюминия, кремния, кальция и др. Они увеличивают количество центров кристаллизации и, следовательно, измельчают графит. . Поэтому модифицированный чугун имеет повышенную прочность, лучшую стойкость против образования трещин и меньшую . хрупкость, чем обычные серые. Все высшие марки серого чугуна, начиная с СЧ28-48, получают методом модифицирования.
Высокопрочным называется серый чугун, содержащий шаровидный графит. Его получают введением в серый чугун магния, церия и висмута. Добавка их в расплавленный серый чугун, содержащий пластинчатый графит, превращает его в шаровидный. Высокопрочный чугун имеет более высокие механические свойства, чем обычный серый, модифицированный и ковкий чугуны, а также среднеуглеродистая сталь (табл. 13). В настоящее время выплавляют следующие марки высокопрочного чугуна по ГОСТ 7293—79: ВЧ38-17, ВЧ42-12, ВЧ45-5, ВЧ50-2, ВЧ60-2, ВЧ70-3, ВЧ80-3, ВЧ100-4 и ВЧ120-4.
Буквы обозначают высокопрочный чугун, первые две цифры— предел прочности на растяжение (кгс/мм2), последние одна или две цифры — относительное удлинение (%).
В судостроении высокопрочные чугуны широко применяют вместо ковкого чугуна и среднеуглеродистой стали. Из них изготовляют различные судовые устройства, механизмы, дельные вещи и т. д. Наиболее распространен магниевый чугун, обладающий высокими механическими свойствами, что позволяет использовать его вместо ковкого чугуна при изготовлении ответственных деталей машин: коленчатых валов, картеров, шатунов и т. п., а также грузовых, зачистных, обогревающих и охлаждающих трубопроводов, дейдвудных труб, винтов регулируемого шага (ВРШ) и т. п.
Легированные чугуны
Легированными называются чугуны, в которые введены легирующие (облагораживающие) примеси, например хром, ванадий, молибден, никель, титан и др.
Легирующие элементы повышают прочность, твердость, износостойкость, коррозионную стойкость и другие механические, технологические и химические свойства чугунов.
Все легированные чугуны в зависимости от суммарного содержания легирующих элементов делятся на низколегированные (до 2,5% легирующих элементов), среднелегированные (от 2,5 до 10%) и высоколегированные (свыше 10%).
Разновидности легированных чугунов имеют разные марки. Входящие в марку легирующие элементы обозначают буквами: Н—никель, X — хром, М — молибден, Т — титан, К — кобальт, В — вольфрам, Б — ниобий, Г — марганец, С — кремний, Ф — ванадий, Ю — алюминий, Д — медь. Цифры, стоящие после букв, указывают среднее содержание легирующих элементов в процентах. Если цифры нет, то данного легирующего элемента содержится около 1 %. Например, марка ЧН15Д7Х означает, что это высоколегированный чугун, в котором содержится никеля—15%, меди — 7% и хрома — около 1 %.
Изготовление легированных чугунов, обладающих целым рядом ценных свойств, относительно недорого, и поэтому область их применения непрерывно расширяется.
В зависимости от свойств легированные чугуны делятся на износостойкие, коррозионно-стойкие (нержавеющие), жаростойкие и др.
Износостойкими называются чугуны, обладающие высоким сопротивлением износу (истиранию), которое возникает при трении поверхностей, находящихся под нагрузкой. К износостойким чугунам относятся антифрикционные и фрикционные чугуны.
Антифрикционными называются износостойкие чугуны, обладающие низким коэффициентом трения. Из них изготовляют детали, работающие в условиях трения скольжения: подшипники скольжения и их вкладыши, грундбуксы, сальники и другие подобные детали.
Антифрикционные чугуны имеют марки по ГОСТ 1585—79: АЧС-1, АЧС-2, АЧС-3, АЧС-4, АЧС-5, АЧС-6, АЧК-1, АЧК-2, АЧВ-1, АЧВ-2 и др.
Буквы АЧ означают антифрикционный чугун, а буквы С, К и В — базовый чугун (серый, ковкий и высокопрочный), на основе которого он получен. Цифра — условный номер.
Кроме перечисленных марок применяют специальный антифрикционный пористый чугун марки АПЧ, получаемый введением в расплавленный чугун при его выплавке свинца, фосфора и углекислого калия (поташа). В результате затвердевший чугун становится пористым, что улучшает его антифрикционные свойства.
В качестве антифрикционных чугунов применяют также медистый чугун марок ЧМ-1,3, ЧМ-1,8 и др., в которых цифра указывает на содержание меди в процентах. Эти чугуны имеют хорошие антифрикционные свойства и выдерживают большие нагрузки.
Фрикционными называются износостойкие чугуны, имеющие высокий коэффициент трения. Из них делают тормозные устройства различных механизмов:
Все большее распространение в судостроении получают коррозионнно-стойкие чугуны (ГОСТ 11849—76), так как даже обычные чугуны обладают более высокой коррозионной стойкостью в атмосфере и морской воде, чем углеродистые стали. Вводя в чугун более 12 % хрома и снижая содержание углерода, получают нержавеющий чугун. Высокой коррозионной стойкостью в агрессивных средах, стойкостью к кавитации и износу в пароводяных средах обладают коррози-онно-стойкие чугуны марок ЧНХТ,ЧН1ХМД, ЧН15Д7Х2 и др.
Жаростойкими называются чугуны, стойкие против окисления и сохраняющие механические свойства при высоких температурах нагрева (свыше 750 К).
Многие высоколегированные жаростойкие чугуны являются одновременно и коррозионно-стойкими. Детали, работающие при высокой температуре нагрева без больших нагрузок, выгоднее изготовлять из жаростойких чугунов, чем из жаростойких сталей, так как стоимость их получения меньше.
В марках жаростойких чугунов (ГОСТ 7769—75) буквы ЖЧ обозначают жаростойкий чугун, последующие буквы обозначают легирующие элементы, а цифры.—среднее содержание легирующих элементов в процентах. Например, ЖЧНДХ-15-7-2 — это жаростойкий чугун, содержит никеля 15%, меди 7% и хрома 2 %, а остальное железо, углерод и другие примеси.
Существуют жаростойкие алюминиевые чугуны — чугаль и пирофераль. Они содержат большое количество алюминия и модифицированы магнием для получения шаровидного графита, коррозионно-стойки.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Что называется чугуном?
2. Какое влияние на свойства чугуна оказывают углерод, кремний, марганец, сера и фосфор?
3. Почему чугун для художественного литья должен иметь повышенное содержание фосфора?
4. Как делятся белые (передельные) чугуны и где их применяют?
5. Как делятся серые чугуны и где их применяют?
6. Почему одна из разновидностей серого чугуна получила название «ковкий чугун»?
7. Какими особыми свойствами обладают легированные чугуны?
Задание
Расшифруйте марки: СЧ32-52, КЧ50-4, ВЧ45-5, АЧС-2, АЧВ-1, АЧК-1, ЧМ-1,3, АПЧ, ЧН15Д7Х2, ЖЧС-5,5. Укажите области применения этих чу-гунов.
ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ
Источник
Под понятием «чугун» может подразумеваться как конструкционный материал на основе железа, так и металлический сосуд, округлый горшок для приготовления пищи. Последний попадается редко. Современная посуда теснит.
Совсем устарело слово «чугунка». Так в XIX – начале XX века называли железную дорогу.
Что такое чугун
Это сплав железа и углерода с содержанием последнего от 2,14%. В идеальном случае. На деле помимо указанных всегда есть примеси и легирующие элементы. Так что разграничение «плавает».
В зависимости от содержания углерода относительно эвтектики выделяют разновидности металла. Эвтектика – состав сплава с минимальной температурой плавления.
Для чугуна содержание углерода ориентировочно составляет 4,3%. Почему «ориентировочно» – уже говорилось. Потому принято подразделять чугун на:
доэвтектический — 2,14 — 4,3% углерода;
эвтектический — 4,3% углерода;
заэвтектический — от 4,3 до 6,67% углерода.
Виды чугуна
В общепринятой классификации разделяют по форме содержащегося углерода.
Белый
Называется так из-за характерного окраса скола. Углерод C содержится в виде цементита (формула Fe3C), образующегося при остывании расплава. Твердый тугоплавкий материал.
В доэвтектических сплавах – в составе перлита и ледебурита. В эвтектических – в ледебурите. В заэвтектических – первичный цементит и ледебурит.
В исходном виде такой чугун практически не используется. Не поддается обработке инструментом из «быстрорежущей» стали. Только с насадками из карбидов (ВК), да и то с трудом.
Применяется в качестве сырья для получения ковкого.
Серый
Также именуется по оттенку на сколе. Содержит фракции графита различной формы. Осаждению углерода способствует добавка кремния.
Свойства и структура сильно зависят от условий остывания после кристаллизации.
Быстрое охлаждение даст преобладание перлита. Сплава феррита и карбида. Своеобразная «закалка» повысит прочность и твердость. И хрупкость, что не всегда приемлемо.
Щадящее остывание определяет рост содержания феррита. Сплава железа с оксидами, в основном с Fe2O3. Улучшится пластичность. Поэтому режимы подбирают исходя из требуемых параметров.
Серый чугун удобен для литых конструкций. Отличается невысокой температурой отвердения, хорошей жидкотекучестью. Не склонен к образованию раковин.
При всем этом, углеродные вкрапления обуславливают низкую трещиностойкость. Материал уверенно воспринимает сжимающие усилия, но совершенно непригоден при растяжении/изгибе.
В маркировке указываются символы СЧ и предельная прочность в кг/мм2: СЧ25. Наиболее распространены чугуны с содержанием C ниже 3,7%.
Ковкий
Для изготовления белый чугун нагревают до нужной температуры, выдерживают достаточное время и медленно остужают («отжиг»). Процесс провоцирует процесс распада Fe3C с выделением графита и появление феррита.
По форме включения углерода не похожи на аналогичные в сером чугуне. Этим объясняется появление некоторой стойкости к разрыву и ударной вязкости.
Маркируется «КЧ» с добавлением допустимой прочности на растяжение в МПа х 10-1 и максимального относительного удлинения. Пример: КЧ 35-11.
Высокопрочный
Вид серого чугуна, только графитовые образования по форме напоминают шарики. Округлость включений делает кристаллическую решетку не склонной к образованию трещин.
В результате ценные изначально свойства чугунов (стойкость к сжатию, удобство литья и т. д.) дополняются сравнимым со сталями пределом текучести при растяжении, появляется трещиностойкость, пластичность.
Маркируются аналогично ковким, но с обозначением «ВЧ».
Передельный
Используется как сырье для выплавки стали. Часто даже не покидает предприятия, где сделан.
Специальные
Выпуск таких марок невелик, до 2% от общего объема. Могут содержать значительное количество легирующих элементов. Предназначены для ограниченных целей и специфических условий. Распространены коррозионно и химически стойкие ферросплавы.
Одна из разновидностей – антифрикционный чугун. Используется для изготовления трущихся деталей. Легируется в первую очередь хромом. Также добавляются никель, титан, медь и прочие.
Отличается высокой твердостью (до HB 300) и низким коэффициентом трения (до 0,8 при отсутствии смазывающих эмульсий).
Базовые материалы: серый, ковкий и высокопрочный чугуны. Маркировки соответственно – АЧС, АЧК, АЧВ. Цифровые составляющие описаны выше.
Достоинства и недостатки материала
Стоит обсуждать в сравнении со сталью, хотя низкокачественная углеродистая сталь – тот же чугун по сути.
По некоторым параметрам (плотность, свойство магнититься, типичные химические реакции) ферросплавы практически идентичны. Существенны отличия в технологии использования.
Преимущества:
Умеренная стоимость. Насыщение углеродом – часть процесса выплавки из руды. Снижение его содержания неизбежно удорожает металл.
Превосходные литейные качества. Расплав текуч. С низкой усадкой при кристаллизации, что минимизирует дефекты. Относительно низкая температура плавления.
Изделия прочны, с твердой поверхностью, износостойки.
Используемые в машиностроении составы поддаются обработке резанием.
Долговечны. В том числе в сантехнических, канализационных деталях.
Ставшие ненужными элементы легко утилизировать. Любой пункт приема с руками оторвет.
Недостатки:
Из-за высокого содержания углерода хрупок. Мало пригоден для обработки давлением. Из отдельных марок получают кованые изделия отменного качества. Но это скорее работа штучная и в индустриальных масштабах нерентабельная.
Сварка допускается только в крайних случаях. Технология довольно сложна, велик риск возникновения дефектов.
Изделия всегда массивны. Не получится тонкостенная конструкция, так как не выдержит собственного веса и изготовить не удастся.
Легко окисляется во влажной среде. Насквозь не проржавеет из-за неизбежной монументальности, но вид приобретет неопрятный. Детали, расположенные на открытом воздухе, нуждаются в коррозионно стойком покрытии.
Производство чугуна
Зачатки черной металлургии человек освоили уже во II-ом тысячелетии до н. э. Для получения стали. Но доменные печи появились в Европе только в XIV – XV веках. Чугун был получен как побочный ненужный продукт.
Оценили, когда обратили внимание на выдающиеся литейные качества. Удобен для изготовления пушек-ядер, да и сталь из него получать удобнее.
До России технология осмысленно дошла в XVII веке. Случилось это при Петре I, когда искали материал для оружия.
В качестве сырья обычно используются железняки. Наибольший выход получается из магнитного и красного, обильно содержащие Fe.
Для поддержания температуры используется кокс. Воздух для горения подается принудительно. Флюс (известняк) предназначен для снабжения углекислым газом. Основная реакция:
.
Восстановленное Fe опускается в горн, где насыщается углеродом. Цикл работы печи – непрерывный.
Получение стали
Порядка 85% чугуна уходит на дальнейшее изготовление стали. Для выплавки используется мартеновская печь.
В процессе плавления загруженного сырья образуется значительная масса оксида FeO. По мере разогрева происходит реакция:
.
Лишний углерод удаляется.
Также используются электродуговые и индукционные печи.
Области применения
В связи с современной тенденцией максимального облегчения оборудования, чугун используют все меньше.
Но есть области, где он пока незаменим и рентабелен:
В машиностроении применяется для крупных корпусных деталей с незначительными нагрузками на растяжение. Станины для станкового оборудования, блоки цилиндров для двигателей внутреннего сгорания. Маховики, шкивы, шестерни, гидроцилиндры, корпуса редукторов, электродвигателей, поршни.
Сантехническая фурнитура, канализационные трубы.
Декоративные элементы: ограды, решетки, ворота.
Печи для домов, бань.
Источник