Чугун в Абакане — характеристики, расшифровка
Чугуном называют железоуглеродистые сплавы (содержащие также то или иное количество примесей и легирующих элементов), затвердевающие с образованием эвтектики. Следовательно, в отличие от стали, чугун не может приобрести однофазное строение (например, аустенитное) при термической обработке. Согласно диаграмме состояния сплавов Fe—С (рис. 1), область чугуна охватывает сплавы, содержащие свыше 2,11% С. Практически же в качестве указанного граничного содержания углерода принято считать 2% С. С повышением содержания легирующих элементов эта граница, как правило, смещается в сторону меньших концентраций углерода. Так, многие высокохромистые, высококремнистые (например, ферросилиды), высокоалюминиевые сплавы железа содержат значительное количество эвтектики и условно считаются чугуном, несмотря на весьма низкое содержание углерода.
Присутствие эвтектики в структуре чугуна обусловливает его использование исключительно в качестве литейного сплава (работы по прокатке чугуна, особенно высокопрочного с шаровидным графитом, дали некоторые положительные результаты, но промышленного применения не нашли; перспективной является прокатка низкоуглеродистого низкокремнистого белого чугуна).
Чугун менее прочен и более хрупок, чем сталь, но дешевле стали и хорошо отливается в формы. Поэтому чугун широко используют для изготовления литых деталей. Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита (Fe3C) или графита. Цементит имеет светлый цвет, обладает большой твердостью и трудно поддается механической обработке. Графит, наоборот, темного цвета и достаточно мягок. В зависимости от того, какая форма углерода преобладает в структуре, различают два основных вида чугуна: белый и серый.
По степени эвтектичности чугун подразделяют на доэвтектический, эвтектический и заэвтектический (см. рис. 1). Неправомерно принято отождествлять степень эвтектичности чугуна со степенью «насыщенности». Последняя относится как к чугуну, так и к стали и отражает лишь отношение содержания углерода в сплаве к эвтектическому или, с учетом влияния кремния и фосфора на смещение эвтектической точки влево.
Чугун считается эвтектическим, когда углеродный эквивалент равен 4,2—4,3%.
По содержанию дополнительных компонентов чугун подразделяют на нелегированный, низколегированный, средне- и высоколегированный. Нелегированным считают чугун, содержащий до 3,5—4% Si, до 1,5—2% Мп, до 0,3% Р, до 0,2— 0,25% S и до 0,1% таких элементов, как Cr, Ni, Си. В низколегированном чугуне содержание каждого из перечисленных легирующих элементов обычно не превышает 1,0—1,5%, в среднелегированном оно может достигать 7%, а в высоколегированном превышает 7—10%. Добавки сотых и даже тысячных долей процента таких элементов, как магний, азот, бор, висмут, считаются легирующими (микролегирование, модифицирование).
По степени графитизации чугун подразделяют на белый (практически не графитизированный), отбеленный или половинчатый (частично графити-зированный) и серый (в значительной степени или полностью графитизированный). Ковким называют чугун, полученный из белого путем его графитизации в твердом состоянии при термической обработке.
Белый чугун представляет собой сплав, в котором весь или практически весь избыточный углерод, не находящийся в твердом растворе в железе, присутствует в виде цементита Fe3C (или специальных карбидов в легированном чугуне).
В нелегированном чугуне цементит представляет собой метастабильную фазу, способную распадаться с образованием железа и графита. На рисунке выше линии метастабильных равновесий (цементитная система) PSK, ES, ECF и CD показаны сплошными, а линии стабильных равновесий (графитная система) P`S`К`, E`S`, E`C`F` и C`D` —- пунктирными (в физической химии металлов принят обратный порядок обозначения).
В неполностью графитизированном сером чугуне эвтектоидное превращение протекает не в стабильной (графитной), а в метастабильной (цементитной системе) и аустенит превращается не в феррито-графитный эвтектоид, а в феррито-цементит-ную смесь — перлит. При этом наличие перлитного цементита и даже небольшого количества вторичного цементита (выпадающего из аустенита при его охлаждении в соответствии с линией метастабильного равновесия ES на рисунке выше) не является признаком отбела серого чугуна.
В производственной практике чаще всего наблюдаются случаи, когда эвтек-тоидное превращение протекает частично в стабильной и частично в метастабильной системах.
Получающийся перлито-ферритный чугун обладает свойствами, приближающимися к свойствам перлитного или ферритного серого чугуна в зависимости от процентного содержания феррита и перлита в структуре металлической основы.
При отжиге белого чугуна на ковкий графит выделяется в виде более компактных включений, в результате чего металл приобретает определенные пластические свойства (откуда и название этого вида чугуна). Как и серый чугун, ковкий чугун может быть полностью и неполностью графитизированным и подразделяется соответственно на ферритный, феррито-перлитный и перлитный. Ледебуритного или вторичного цементита в ковком чугуне не должно быть (за исключением отдельных изолированных, так называемых «остаточных» карбидов). Половинчатый ковкий чугун промышленного применения не нашел.
В конце сороковых годов был изобретен метод модифицирования чугуна магнием, церием (а в настоящее время также иттрием и рядом других элементов), при котором графитные включения приобретают шаровидную или близкую к ней форму.
Такой сплав фактически является разновидностью серого чугуна, однако ввиду приобретения им ряда специфических свойств (сочетания высокой прочности и пластичности, повышенной ударной вязкости) его классифицируют отдельно под названием «высокопрочный» чугун (ВЧ) или чугун с шаровидным графитом (ЧШГ). В зависимости от использованного модификатора его также называют магниевым, либо цериевым чугуном. В зарубежной литературе его часто называют «пластичным» чугуном (ductile iron). Высокопрочный чугун так же подразделяется на перлитный, перлито-ферритный и ферритный. В промышленности используют также отбеленный чугун с шаровидным графитом.
Часто модифицирование магнием или церием приводит к практически полному отбелу чугуна. После графитизирующего отжига в металле образуются шаровидные включения графита. Такой материал фактически представляет собой разновидность ковкого чугуна. Однако ввиду ряда специфических особенностей (кратковременности отжига, обусловленной высоким содержанием кремния в металле и отсутствием инкубационного периода) его классифицируют в одной группе с высокопрочным чугуном.
Таким образом, значительно графитизированный чугун условно подразделяют на серый (СЧ), ковкий (КЧ) и высокопрочный (ВЧ), хотя в ряде случаев провести между ними границу очень трудно.
Серый, ковкий и высокопрочный чугун классифицируют по механическим свойствам. Согласно общей классификации принято следующее деление:
По специальным свойствам чугун подразделяют на износостойкий, антифрикционный, коррозионностойкий, жаростойкий, немагнитный.
По твердости чугун подразделяют на:
Мягкий чугун < HB149
Средней твердости HB149-197
Повышенной твердости HB 197-269
Твердый > HB269
По прочности чугун подразделяют на:
Обыкновенной прочности < 20 кГ/мм2
Повышенной прочности = 20-38 кГ/мм2
Высокой прочности > 38кГ/мм2
В белом чугуне почти весь углерод содержится в связанном состоянии в форме цементита. Такой чугун имеет в изломе светло-серый цвет, очень тверд, почти не поддается механической обработке и поэтому не применяется для изготовления деталей, а используется для переделки в сталь и для изготовления деталей из ковкого чугуна.
Такой чугун называется также передельным.
Серый чугун в изломе темно-серого цвета, мягок, хорошо обрабатывается инструментами и поэтому широко применяется в машиностроении. Температура плавления серого чугуна 1100— 1250° С. Чем больше в чугуне углерода, тем ниже температура плавления. Основное количество углерода в сером чугуне содержится в виде графита, равномерно распределенного среди зерен основного сплава.
В сером чугуне, по сравнению с белым, содержится больше кремния и меньше марганца, так как кремний способствует графитизации углерода в чугуне, а марганец, наоборот, вызывает образование связанного углерода — цементита.
Примерный состав серого чугуна: 3—3,6% углерода; 1,6—2,5% кремния; 0,5—1% марганца; 0,05—0,12% серы; 0,1—0,8% фосфора. Сера является вредной примесью в чугуне, затрудняет его сварку и понижает прочность; она повышает вязкость чугуна в расплавленном состоянии и увеличивает его литейную усадку.
Фосфор делает чугун более жидкоплавким и улучшает его свариваемость, но одновременно повышает хрупкость и твердость.
Поэтому содержание серы и фосфора в чугуне не должно превышать указанных пределов.
По ГОСТ 1412—54 марка серого чугуна обозначается буквами СЧ и двумя числами, из которых первое обозначает среднюю величину временного сопротивления в кгс/мм2, а второе — то же, при изгибе. Выпускается, например, серый чугун марок СЧ12-28, СЧ15-32, СЧ18-36 и т. д. Наиболее прочным является чугун марки СЧ38-60. Твердость по Бринеллю для серого чугуна СЧ12-28 составляет от 143 до 229, чугуна СЧ38-60 —от 207 до 262.
Ковкий чугун по механическим свойствам занимает промежуточное положение между чугуном и сталью, отличается от серого чугуна большей вязкостью и меньшей хрупкостью. Для получения деталей из ковкого чугуна их отливают из белого чугуна, а затем подвергают термообработке, например длительному отжигу или «томлению» в песке при 800—850° С. При этом выделяется свободный углерод в форме мелких округленных частиц, располагающихся в виде обособленных скоплений (хлопьев) между кристаллами железа.
При температуре выше 900—950° С углерод переходит в цементит и деталь теряет свойства ковкого чугуна. Поэтому детали после сварки приходится вновь подвергать полному циклу термообработки для получения в шве и околошовной зоне структуры ковкого чугуна.
Ковкий чугун по ГОСТ 1215—59 обозначается буквами КЧ и двумя числами: первое указывает временное сопротивление в кгс/мм2, а второе — относительное удлинение в процентах, например КЧ35-4.
Легированный чугун обладает особыми свойствами — кислотоупорностью, высокой прочностью при ударных нагрузках и др. Эти свойства чугун получает в результате легирования хромом, никелем.
Модифицированный чугун получают из серого чугуна, вводя в жидкий чугун специальные добавки, называемые модификаторами — силикокальций, ферросилиций, силикоалюминий и др. Количество вводимых модификаторов не превышает 0,1 — 0,5%, при этом температура жидкого чугуна должна быть не ниже 1400° С.
При модификации состав чугуна почти не изменяется, но зерна графита принимают мелкопластинчатый, слегка завихренный вид, и располагаются изолированно друг от друга.
От этого структура чугуна становится однородной, плотной, повышаются его прочность, износо- и коррозиоустойчивость.
По ГОСТ 1412—54 модифицированный чугун обозначается так же, как и серый, но с добавлением буквы М, например: МСЧ2848.
Высокопрочный и сверхпрочный чугуны имеют, графит шаровой формы. Это достигается введением в жидкий чугун при 1400° С чистого магния или его сплавов с медью и ферросилицием, с последующей модификацией силикокальцием или ферросилицием. Сверхпрочный чугун имеет временное сопротивление при растяжении 50—65 кгс/мм2 (при изгибе 80—120 кгс/мм2) и относительное удлинение 1,5—3%.
Механические и технологические свойства: чугун является своеобразным композитным материалом, механические и эксплуатационные свойства которого зависят от характеристик металлической основы (прочность, пластичность, твердость и др.), а также формы, размеров, количества и распределения графитовых включений. При этом решающее значение в ряде случаев имеет либо графит, либо металлическая основа.
Например, модуль упругости чугуна в решающей степени зависит от формы и величины графитовых включений, а твердость в основном определяется свойствами металлической основы. Такие свойства, как временное сопротивление разрыву, ударная вязкость, длительная прочность, зависят как от свойств металлической основы, так и от формы или размеров и количества графитовых включений.
Получение той или иной структуры чугуна в отливках зависит от многих факторов: химического состава чугуна, вида шихтовых материалов, технологии плавки и внепечной обработки металла, скорости кристаллизации и охлаждения расплава в форме, а следовательно, толщины стенки отливки, теплофизических свойств материала формы и др. Структуру металлической основы чугуна можно изменять также термической обработкой отливок, общие закономерности влияния которой аналогичны возникающим при термической обработке углеродистой стали, а особенности связаны с сопутствующими изменениями металлической основы процессами графитизации.
Среди элементов химического состава С и Si определяют формирование структуры чугуна, а при заданной технологии литья приведенный размер стенки отливки Rnp характеризует скорость ее охлаждения — отношение площади сечения стенки к периметру).
Наряду с Si большое значение как графитизирующий элемент имеет Аl, который иногда частично или полностью заменяет Si. Это улучшает свойства чугуна, особенно пластичность. Наиболее благоприятное сочетание характеристик прочности, вязкости и пластичности достигается в алюминиевых чугунах при содержании в них Si < 1,0 %.
По влиянию небольших добавок других элементов на структуру чугуна и, следовательно, свойства добавки можно разбить на три группы.
Первая группа элементов (Ni, Со, Си) аналогично Si оказывает графитизирующее влияние, способствует раз мельчению выделений графита. Одновременно эти элементы стимулируют получение более дисперсных перлитных игольчатых и. мартенситных структур даже при сравнительно медленном охлаждении.
Вторая группа элементов (Сг, Мо, W, V и др.) в противоположность первой препятствует графитизации с интенсивностью, пропорциональной концентрации. При содержании, превышающем предел растворимости их в цементите или феррите, они образуют специальные карбиды.
К третьей группе элементов можно отнести Ti, Zr, Се, Са, Mg, В и др. Эти элементы характеризуются высокой химической активностью, почти целиком расходуются на образование тугоплавких карбидов, сульфидов, оксидов, нитридов, которые могут служить зародышами в процессе последующей кристаллизации и повышать дисперсность металлической основы. Более того, элементы этой группы Mg, Са, Се и др. редкоземельные металлы (РЗМ) входят в состав лигатур для модифицирования чугуна с целью получения графита вермикулярной или шаровидной формы.
Магнитные свойства чугунов. В соответствии с требованиями, предъявляемыми к деталям, чугун может применяться в качестве ферромагнитного (магнитно-мягкого) или паромагнитного материала.
Магнитные свойства в большей степени, чем какие-либо другие, зависят от структуры металла, что определяет разделение магнитных свойств на первичные и вторичные. К первичным относятся индукция, насыщение (4лl), проницаемость в сильных полях и температура магнитного превращения.
Эти свойства зависят от количества и состава ферромагнитных фаз и не зависят от их формы и распределения. К вторичным свойствам относятся гистерезисные характеристики: индукция, насыщение и проницаемость в слабых и средних полях, коэрцитивная сила, остаточный магнетизм. Вторичные свойства мало зависят от состава фаз и определяются главным образом формой и распределением структурных составляющих.
Основными ферромагнитными составляющими чугуна являются феррит и цементит, характеризующиеся следующими данными.
Цементит является более жесткой магнитной составляющей, поэтому в качестве магнитно-мягкого материала всегда применяется серый, а не белый чугун. Графитизация приводит к резкому понижению Нс и интенсивному повышению Umах, в особенности при распаде последних остатков карбидов. При этом влияние графита, как и других немагнитных фаз, зависит также от формы и величины включений. Наиболее благоприятной в этом отношении является глобулярная форма. Поэтому ковкий и высокопрочный чугун характеризуются большей индукцией и магнитной проницаемостью и меньшей коэрцитивной силой, чем серый чугун при той же матрице.
Таким же образом влияет укрупнение эвтектического и ферритного зерна и уменьшение количества перлита. Поэтому отпуск после закалки способствует улучшению магнитно-мягких свойств.
Немагнитные (парамагнитные) чугуны применяются в тех случаях, когда требуется свести к минимуму потери мощности (крышки масляных выключателей, концевые коробки трансформаторов, нажимные кольца на электромашинах и т. д.) или когда необходимо минимальное искажение магнитного поля (стойки для магнитов и т. п.). В первом случае, наряду с низкой магнитной проницаемостью, требуется высокое электрическое сопротивление; этому требованию чугун удовлетворяет даже в большей степени, чем цветные сплавы. Во втором случае необходима особо низкая магнитная проницаемость. Поэтому в ряде случаев и не удается заменить цветные сплавы аустенитными чугунами для второй группы отливок.
В зависимости от состава различают аустенитные немагнитные чугуны:
— никелевые типа нирезист с тем или иным количеством хрома;
— никельмарганцевые типа номаг с тем или иным содержанием меди и алюминия, превосходящие чугуны первой
— группы по немагнитности, но уступающие им по жаропрочности, жаростойкости и сопротивлению коррозии;
— марганцевые с тем или иным содержанием меди и алюминия, являющиеся наиболее дешевыми, но обладающие более низкими прочностными и физическими свойствами.
Представляют интерес также ферритные высоколегированные алюминиевые чугуны, характеризующиеся особенно низкой магнитной проницаемостью.
Влияние вида чугуна на его плотность: наибольшей плотностью характеризуются белые чугуны, не содержащие свободных графитовых включений, и некоторые легированные чугуны (хромовые, никелевые, хромоникелевые). У серых чугунов плотность обычно тем больше, чем выше прочность чугуна.
Высокопрочный чугун при прочих равных условиях (одинаковом содержании кремния, перлита и графита) характеризуется большей плотностью, чем чугун с пластинчатым графитом. Однако во многих случаях эта плотность может оказаться на практике ниже, чем у серых чугунов, вследствие более высокого содержания углерода и кремния или большей ферритизации матрицы.
Большей плотностью также характеризуются аустенитные чугуны, вследствие более плотного строения, особенно при легировании никелем и медью, плотность которых больше, чем у железа.
При легировании марганцем плотность аустенита несколько понижается.
Еще меньше плотность ферритных кремнистых и алюминиевых чугунов.
Чугун, цена в Москве
Главная \ Продукция \ Чугун
Чугун – это сплав железа и углерода, в котором Железа более 90%, а Углерода — не более 6,67%, но и не менее 2,14%. Также углерод может находиться в чугуне в виде цементита или же графита. Углерод дает сплаву достаточно высокую твёрдость, однако, вместе с тем, понижает ковкость и пластичность. В связи с этим чугун является хрупким материалом. Также в определенные марки чугуна добавляют специальные присадки, которые способны придать соединению определенные свойства. В роли легирующих элементов могут выступать: никель, хром, ванадий, алюминий. Показатель плотности чугуна равен 7200 килограмм на метр кубический.
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.
Требования, предъявляемые к составу чугуна (содержанию примесей), определяются его назначением.
Передельный чугун- чушковый чугун, выплавляемый в доменных печах и предназначенный для дальнейшего передела в сталь или переплавки в чугунолитейные цехах при производстве отливок. От других видов металла, получаемого в доменных печах (литейных и зеркального чугунов, ферросилиция и ферромарганца), Передельный чугун отличается низким содержанием Si и Mn (не более 1,75% каждого). Передельный чугун — основная продукция доменного производства.
Передельный ГОСТ 805-95 | Хим. состав* класс Б | |||||||
С | Si | Mn | P | S | Cr | Ti | V | |
ПЛ 1 ПЛ 2 |
| 0,9-1,2 0,5-0,9 | 0,3-0,5 0,3-0,5 | 0,12 0,12 | 0,02-0,05 0,02-0,05 | 0,05 0,05 |
|
|
Передельный ГОСТ 805-95 | Хим. | |||||||
С | Si | Mn | P | S | Cr | Ti | V | |
ПЛ 1 ПЛ 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
состав* класс А
Литейный чугун (ГОСТ 4832-95) — чушковый чугун, выплавляемый в доменных печах и предназначен для переплавки в чугуно-литейных цехах при производстве отливок. Литейный чугун, выплавляемый в доменной печи — содержащий подавляющую часть углерода в виде свободного графита и имеющий в своём составе кремний до 3,75% применяется для получения отливок в литейном производстве.
Литейный ГОСТ 4832-95 | Хим. состав* класс А | |||||
С | Si | Mn | P | S | Cr | |
Л1 | 3,8-4,5 | 3.2-3.6 | 0,5-0,9 | 0,03-0,05 | 0,01-0,03 | 0,03 |
Л2 | 3,8-4,5 | 2,8-3,2 | 0,5-0,9 | 0,03-0,05 | 0,01-0,03 | 0,03 |
Л3 | 3,8-4,5 | 2,4-2,8 | 0,5-0,9 | 0,03-0,05 | 0,01-0,03 | 0,03 |
Л4 | 3,8-4,5 | 2,0-2,4 | 0,5-0,9 | 0,03-0,05 | 0,01-0,03 | 0,03 |
Л5 | 3,8-4,5 | 1,6-2,0 | 0,5-0,9 | 0,03-0,05 | 0,01-0,03 | 0,03 |
Л6 | 3,8-4,5 | 1,2-1,6 | 0,5-0,9 | 0,03-0,05 | 0,01-0,03 | 0,03 |
Литейный ГОСТ 4832-95 | Хим. | |||||
Si | Mn | P | S | Cr | ||
Л1 | 3,8-4,5 | 3.2-3.6 | 0,5-1,5 | 0,1-0,15 | 0,01-0,05 | до 0,15 |
Л2 | 3,8-4,5 | 2,8-3,2 | 0,5-1,5 | 0,1-0,15 | 0,01-0,05 | до 0,15 |
Л3 | 3,8-4,5 | 2,4-2,8 | 0,5-1,5 | 0,1-0,15 | 0,01-0,05 | до 0,15 |
Л4 | 3,8-4,5 | 2,0-2,4 | 0,5-1,5 | 0,1-0,15 | 0,01-0,05 | до 0,15 |
Л5 | 3,8-4,5 | 1,6-2,0 | 0,5-1,5 | 0,1-0,15 | 0,01-0,05 | до 0,15 |
Л6 | 3,8-4,5 | 1,2-1,6 | 0,5-1,5 | 0,1-0,15 | 0,01-0,05 | до 0,15 |
состав* класс Б,В
Серый чугун-это чугун, у которого большая часть углерода находится в свободном состоянии в виде графита, называется серым чугуном.
Согласно ГОСТ 1412-85 установлены марки отливок из серого чугуна. Серый чугун маркируется буквами СЧ и двузначным числом, показывающим минимальное значение предела прочности на растяжение. Например, у чугуна марки СЧ25 временное сопротивление при растяжении σв = 250 МПа; твердость НВ = 1800 — 2500 МПа и структура металлической основы — феррит + перлит.
Ферритные и феррито-перлитные серые чугуны СЧ10, СЧ15, СЧ18 используют для слабо- и средненагруженных деталей: крышки, фланцы, маховики, корпуса редукторов и др.
Перлитные серые чугуны СЧ21, СЧ25 применяют для деталей, работающих при повышенных статических и динамических нагрузках: блоки цилиндров, картеры двигателей, поршни цилиндров, станины станков и пр.
Перлитные модифицированные серые чугуны СЧ30, СЧ35, СЧ40, СЧ45 обладают наиболее высокими механическими свойствами. Их применяют при высоких нагрузках: зубчатые колеса, гильзы двигателей, шпиндели, распределительные валы и пр. Структура модифицированных чугунов — перлитная основа с небольшим количеством изолированных пластинок графита.
Правильный выбор чугуна
Эта статья была обновлена 18 мая 2023 г. Первоначально она была опубликована 15 ноября 2002 г.
Чугун по определению представляет собой любой сплав железа с что углерод в качестве основной легирующей добавки. Для сравнения, стали содержат менее 2% углерода и обычно менее 1% углерода.
2% — разделительная линия; ниже этого сплав (сталь) затвердевает как однофазный материал, то есть аустенит, и весь углерод находится в аустените. Чугуны по определению затвердевают как гетерогенные сплавы и состоят из более чем одного компонента. Чугуны также должны содержать кремний, обычно от 1 до 3%; так что на самом деле это сплавы железо-углерод-кремний.
Хотя чугун часто считается простым в производстве и спецификации металлом, его металлургия более сложна, чем металлургия стали и большинства других металлов. Это позволило металлургам разрабатывать чугуны с целым рядом свойств.
Чугун Преимущества
Высокое содержание углерода и кремния в чугунах делает их пригодными для литья. Например, их температуры плавления заметно ниже, чем у стали. Расплавленное железо также более жидкое, чем расплавленная сталь, и меньше реагирует с формовочными материалами. А поскольку графит с более низкой плотностью не образуется при затвердевании чугуна, из него можно отливать сложные формы.
Однако чугуны не обладают пластичностью для прокатки или ковки.
ПОДРОБНЕЕ: Инвестиции или литье в песчаные формы? Что подходит для вашего приложения?
Ключом к набору свойств чугуна является содержание в нем углерода. Например, осаждение углерода (в виде графита) во время обработки обеспечивает превосходную обрабатываемость даже при повышении износостойкости, гасит вибрации и помогает смазывать изнашиваемые поверхности.
Чугуны также могут подвергаться закалке пламенем, индукционной закалке и нагреву в печи с последующей закалкой в масле. Это придает сплаву мартенситную структуру. При отпуске мартенсит обеспечивает обрабатываемость с максимальной прочностью и хорошей износостойкостью.
Типы чугуна
Существует несколько типов чугуна. Четыре из наиболее распространенных:
Серый чугун. Этот сплав железа содержит так много углерода, что он выпадает в осадок в виде чешуек графита. Эти углеродные хлопья повышают прочность металла, особенно его прочность на сжатие, которая в три-пять раз превышает его прочность на растяжение.
Но его ударная вязкость ниже, чем у большинства других литых черных металлов.
Серый чугун не имеет определенного предела текучести (как определено классическими формулами), поэтому его не следует использовать, когда постоянная и предсказуемая пластическая деформация предпочтительнее катастрофического разрушения. Еще одной важной характеристикой серого чугуна, особенно для точного машиностроения, является его способность гасить вибрации. Его демпфирующая способность зависит от количества и типа графитовых чешуек; по мере уменьшения количества графита уменьшается и демпфирующая способность.
Серый чугун устойчив к износу, и даже более мягкие сорта хорошо работают при определенных пограничных условиях смазки, например, в верхних стенках цилиндров двигателей внутреннего сгорания. Чтобы повысить твердость серого чугуна, что выгодно, если деталь будет подвергаться абразивному износу, техники могут добавлять легирующие элементы или использовать специальные методы литья или термическую обработку.
ПОДРОБНЕЕ: Зеленый способ производства железа
Серый чугун обозначается двузначным обозначением. Класс 20, например, определяет минимальную прочность на растяжение 20 000 фунтов на квадратный дюйм. Он также определяется поперечным сечением и минимальной прочностью испытательного стержня. Поперечное сечение испытательного стержня обычно совпадает или связано с особо важным сечением готовой детали. Эта вторая спецификация необходима, потому что прочность серого чугуна очень чувствительна к поперечному сечению, при этом меньшее поперечное сечение охлаждается быстрее и создает более прочные детали.
Типичные области применения серого чугуна включают блоки автомобильных двигателей, шестерни, маховики, тормозные диски и барабаны, а также основания машин. Серый чугун хорошо подходит для машиностроения из-за его сопротивления усталости.
Ковкий чугун. Ковкий чугун содержит следовые количества магния, который реагирует с серой и кислородом в расплавленном чугуне и приводит к выделению углерода в виде небольших шариков графита.
Эти сферы делают ковкий чугун более жестким, прочным и ударопрочным, чем серый чугун. Металлурги изготавливают различные марки ковкого чугуна путем тонкой настройки кристаллической структуры железа вокруг графита, что может быть сделано до литья по рецептуре или после литья путем применения термической обработки.
Добавление магния в сплав делает ковкий чугун более прочным и ударопрочным, чем серый чугун. Он также имеет более высокий модуль упругости, но его демпфирующая способность и теплопроводность ниже, чем у серого чугуна. По весу детали из ковкого чугуна дороже, чем детали из серого чугуна. Но готовые детали прочнее с лучшей ударопрочностью, а общая стоимость деталей может быть примерно такой же.
ПОДРОБНЕЕ: Сравнение горячекатаной и холоднокатаной стали
Обозначение, состоящее из трех частей, позволяет разработчикам указывать ковкий чугун с определенными характеристиками. Обозначение для одного типичного сплава, 60-40-18, например, указывает минимальный предел прочности на растяжение 60 000 фунтов на квадратный дюйм, минимальный предел текучести 40 000 фунтов на квадратный дюйм и 18% относительное удлинение на 2 дюйма.
Ковкий чугун используется в таких областях, как коленчатые валы, потому что они легко поддаются механической обработке и обладают высокой усталостной прочностью и модулем упругости. Он используется для тяжелых передач из-за его высокого предела текучести и износостойкости. И его можно найти в дверных петлях для автомобилей, благодаря его пластичности.
Белое железо. Детали из белого чугуна производятся путем «охлаждения» выбранных участков детали или всей детали, пока она еще находится в форме и только что вышла из печи. Это охлаждение осуществляется путем установки в форму металлических или графитовых радиаторов. Когда расплавленное железо затем охлаждается, оно затвердевает так быстро, что углерод не может выпасть в осадок. В результате образуется карбид железа (также известный как цементит). Этот процесс происходит только при затвердевании.
Детали как из серого, так и из ковкого чугуна можно охлаждать, чтобы внешний слой некоторых участков детали или всей детали затвердел в хрупкое белое железо.
(Белое железо получило свое название из-за белой внутренней части.)
Хрупкость, являющуюся основным недостатком белого чугуна, можно несколько снизить, уменьшив содержание углерода в нем или тщательно сняв с детали напряжение. Это превращает карбиды в маленькие сферы. Однако это также увеличивает затраты и снижает твердость. Но поверхности и детали из белого чугуна прочнее и легче поддаются обработке, чем из серого или ковкого чугуна.
Охлаждение не следует путать с термической закалкой, которая включает совершенно другой металлургический механизм.
Белые чугуны в основном используются для изделий, требующих износостойкости и стойкости к истиранию, таких как мельничные футеровки и сопла для дробеструйной очистки. Другие области применения включают железнодорожные тормозные колодки, валки прокатных станов, оборудование для смешивания глины и производства кирпича, а также дробилки. Как правило, белый чугун стоит меньше, чем другие чугуны.
Железо с уплотненным графитом (CGI) , также известное как вермикулярное железо, начиналось достаточно скромно как лабораторный диковин.
Металлурги знали, что это промежуточный сплав между серым и ковким чугуном, который обладает полезными свойствами каждого из них, но его было слишком сложно и дорого производить для коммерческого использования. Например, если количество магния, добавленного в сплав, отличалось всего лишь на 0,005%, результаты CGI в лучшем случае были очень низкого качества.
Достижения ученых и работающих инженеров на протяжении многих лет оптимизировали и упростили процесс изготовления компьютерной графики, так что теперь литейщики знают, какое количество магния, титана и редкоземельных элементов нужно добавить, а также наилучшие параметры обработки.
Современные детали CGI обладают высокой теплопроводностью, почти такой же прочностью, пластичностью и сопротивлением усталости, как у ковкого чугуна, а также демпфирующей способностью на уровне серого чугуна. Кроме того, его легче обрабатывать, чем ковкий чугун.
Правильный выбор
Прежде чем выбрать тип чугуна для конкретного применения, инженеры должны иметь четкое представление о том, какой процесс литья будет использоваться и как будет выглядеть конечный продукт.
Это связано с тем, что размер и форма конечной детали контролируют скорость затвердевания и прочность конечной детали. Большинство металлов определяется стандартным химическим анализом, результаты которого зависят от практики литейного производства, а также формы и размера отливки, все из которых влияют на скорость охлаждения. Таким образом, железо обычно определяется механическими свойствами.
ПОДРОБНЕЕ: Чугун и кованое железо: в чем разница?
При выборе типа чугуна полезно знать, что ASTM и SAE определяют их по-разному. Спецификации ASTM основаны на свойствах конкретного сплава, определенных испытаниями на отдельно отлитом испытательном стержне соответствующего размера. Его заливают в условиях таких же, какие увидят предлагаемые отливки. Спецификации SAE, с другой стороны, требуют, чтобы микроструктура литой детали соответствовала указанному сорту металла, и чтобы твердость каждой отливки в определенном месте была проверена, чтобы убедиться, что они находятся в указанном диапазоне.
В коммерческих целях спецификация ASTM чаще используется для общетехнических применений, в которых чугун должен соответствовать установленным требованиям прочности предлагаемой детали. Спецификации SAE обычно предназначены для больших количеств мелких деталей, например, используемых в легковых и грузовых автомобилях, а также в сельскохозяйственном и холодильном оборудовании. В этих случаях пригодность конкретного класса железа основывается на конструктивных соображениях, а также на испытаниях прототипа. Это должно гарантировать, что готовые детали будут пригодны для предлагаемого применения.
Чугун против стали: каковы их преимущества и недостатки?
И сталь, и чугун являются популярными металлами, но они часто используются по-разному. Ключевым фактором, отличающим одно от другого, является количество углерода в каждом из них и, в меньшей степени, количество кремния. Хотя это может показаться тонким различием, оно имеет большое значение для свойств и использования чугуна и стали.
Эта статья объясняет, что делает чугун и сталь уникальными, чтобы помочь вам решить, какой металл является правильным выбором для вашего следующего литейного проекта.
Содержание
Чугун: преимущества и применение
Как и сталь, чугун представляет собой сплав на основе железа. Однако, чтобы считаться чугуном, металл должен иметь содержание углерода 2-4% и содержание кремния 1-3% по весу. Этот химический состав придает чугуну ряд полезных свойств:
- Прочность на сжатие – Чугун обладает очень высокой прочностью при воздействии сжимающих усилий.
- Литейные свойства – Благодаря более низким температурам плавления и литья, лучшей текучести и меньшей усадке чугун дешевле и легче отливается, чем сталь.
- Обрабатываемость – Мягкие чугуны, такие как серый чугун, обычно очень легко обрабатываются быстро и точно.
- Твердость – По сравнению с другими «дешевыми металлами» чугун обладает высокой твердостью.
- Стоимость – Одной из самых привлекательных особенностей чугуна является то, что он предлагает набор хороших свойств по низкой цене.
Чугун фактически можно разделить на серый чугун, белый чугун, ковкий чугун и ковкий чугун. Каждый тип направлен на улучшение определенных свойств для конкретного применения, например, на более высокую твердость белого чугуна.
Применение чугуна широкое, но вот несколько заслуживающих внимания областей применения:
- Чугунные сковороды и другая кухонная посуда
- Автомобильные блоки цилиндров, тормозные диски и многие другие детали
- Жилые заборные ворота, декоративные фонарные столбы, элементы камина и другая мебель
- Клапаны, фитинги и крышки люков в системах водоснабжения и канализации
- Цепи, шестерни, валы, рычаги и многое другое
Сталь: преимущества и применение
Подобно чугуну, стали представляют собой сплавы на основе железа с несколькими отдельными категориями.
Все стали имеют некоторое содержание углерода до предела 2% по весу и могут быть разделены на углеродистую сталь или легированную сталь.
Их можно подразделить на низкоуглеродистые стали, нержавеющие стали, инструментальные стали, микролегированные стали и другие. Хотя они могут предложить многочисленные дополнительные преимущества, такие как высокая прочность и коррозионная стойкость нержавеющих сталей, в этой статье основное внимание будет уделено литейным стальным сплавам, подобным тем, которые определены ASTM A148.
Поскольку литая сталь дороже чугуна, ее основными преимуществами перед чугуном являются:
- Прочность на растяжение – В зависимости от используемого сплава литая сталь потенциально может иметь гораздо более высокую прочность на растяжение, чем чугун.
- Прочность/пластичность – Под высоким напряжением сталь может деформироваться (временно или постоянно) без разрушения. Хотя это может означать меньшую жесткость в определенных приложениях, это снижает вероятность растрескивания и означает лучшую ударопрочность.
- Свариваемость – В зависимости от используемого сплава сталь обладает хорошей свариваемостью, в то время как чугун плохо поддается сварке, не вызывая образования трещин.
В то время как ковка, прокатка и литье возможны для стальных изделий, некоторые ключевые области применения литой стали:
- Колеса, рамы и балки железнодорожных вагонов
- Горнодобывающая техника, строительное оборудование и тяжелые грузовики
- Насосы, клапаны и фитинги для тяжелых условий эксплуатации
- Турбокомпрессоры, блоки цилиндров и другие автомобильные детали
- Турбины и другие компоненты электростанций
Разница между чугуном и сталью
В этой таблице представлено обобщенное сравнение чугуна и стали с учетом того, что каждая категория представляет собой ряд сплавов с различными свойствами.
| Материальное имущество | Чугун | Литая сталь |
|---|---|---|
| Прочность | Повышенная прочность на сжатие | Повышенная прочность на растяжение |
| Прочность | Низкая пластичность и ограниченное удлинение | Гораздо более высокая пластичность и ударная вязкость |
| Твердость | Хороший, сопоставимый | Хороший, сопоставимый |
| Температура плавления | Более низкая, что упрощает производство | Более высокая температура плавления |
| Коррозионная стойкость | Лучше, часто ограничивается поверхностной ржавчиной | Не подходит для литой углеродистой стали, но нержавеющие сплавы обеспечивают превосходную защиту от ржавчины |
| Обрабатываемость | Легче обрабатывать | Более трудоемкий и трудоемкий инструмент |
| Свариваемость | Трудно сваривается без образования трещин | Лучшая свариваемость, от плохой до очень хорошей. |