_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Чугун – сплав железа с углеродом ( содержанием более 2, 14% ).
Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита и графита.
В зависимости от формы графита и количества цементита, выделяют : бледный, бесцветный, ковкий и высокопрочные чугуны.
Чугуны держат постоянные примеси ( Si, Mn, S, P ), а в отдельных событиях также легирующие элементы ( Cr, Ni, V, Al и др. ).

Чугу́н — сплав железа с углеродом с содержанием более 2, 14 % ( точка предельной растворимости углерода в аустените на диаграмме состояний ).
Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита и графита.
В зависимости от формы графита и количества цементита, выделяют : бледный, бесцветный, ковкий и высокопрочные чугуны.
Чугуны держат постоянные примеси ( Si, Mn, S, P ), а в отдельных событиях также легирующие элементы ( Cr, Ni, V, Al и др. ).
Обыкновенно, чугун хрупок.

Ковкий чугун получают длительным отжигом белого чугуна, в итоге которого образуется графит хлопьевидной формы.
Металлическая основа такого чугуна : феррит и реже перлит.
Ковкий чугун получил свое название из – за повышенной пластичности и вязкости ( при всем при том, что обработке давлением не подвергается ).
Ковкий чугун обладает повышенной крепостью при растяжении и рослым сопротивлением удару.
Из ковкого чугуна изготовляют детали непростой фигуры : картеры заднего моста машин, тормозные колодки, тройники, угольники и т. д.

Включая небольшое сопротивление отливок из серого чугуна растягивающим и ударным нагрузкам, следует использовать сей материал для подробностей, которые подвергаются сжимающим или изгибающим нагрузкам.
В станкостроении это – базовые, корпусные детали, кронштейны, зубчатые колеса, ведущие ;
в автостроении – блоки цилиндров, поршневые кольца, распределительные валы, диски сцепления.
Отливки из серого чугуна также используются в электромашиностроении, для изготовления товаров народного потребления.

Углерод в чугуне может находиться в виде цементита, графита или в то же самое время в виде цементита и графита.
Возникновение постоянной фазы – графита в чугуне может происходить в итоге прямого выделения его из слабого ( твердого ) раствора или вследствие распада предварительно образовавшегося цементита ( при замедленном охлаждении расплавленного чугуна цементит может подвергнуться разложению РезС – > Fe + ЗС с образованием феррита и графита ).
Процесс формирования в чугуне ( стали ) графита называют графитизацией.

По содержанию углерода чугуны подразделяются на доэвтектический – 2, 14 .
4, 3 % С, эвтектический – 4, 3 % С и заэвтектический – 4, 3 .
6, 67 % С углерода.
Доэвтектические чугуны, включающие 2, 14 .
4, 3 % С, после окончательного охлаждения имеют структуру перлита, ледебурита ( перлит + цементит ) и вторичного цементита.
Эвтектический чугун ( 4, 3% С ) при температуре ниже + 727 °С состоит только из ледебурита ( перлит + цементит ).
Заэвтектический, который нельзя отменить 4, 3 .
6, 67 % С, при температуре ниже + 727 °С состоят из первичного цементита и ледебурита ( перлит + цементит ).
На практике наибольшее распространение получили доэвтектические чугуны, включающие 2, 4 .
3, 8% С углерода.
Тельное значение содержания углерода в чугуне определяется его технологическими характеристиками при литье – обеспечение хорошей жидкотекучести.
Жидкотекучесть – это способность металлов и сплавов в расплавленном состоянии заполнять полость формы, точно воспроизводить очертания и размеры отливки.
Увеличенное содержание углерода в чугуне выше 3, 8% С приводит к резкому возрастанию твердости и хрупкости.
Жидкотекучесть определяется по спиральной пробе, а ее величина по длине заполнения части спирали.
Усадка – уменьшение линейных и обьемных размеров металла, затопленного в фигуру при его кристаллизации и охлаждении.

В промышленности разновидности чугуна маркируются следующим типом : передельный чугун — П1, П2 ;
передельный чугун для отливок ( передельно – литейный ) — ПЛ1, ПЛ2, передельный фосфористый чугун — ПФ1, ПФ2, ПФ3, передельный высококачественный чугун — ПВК1, ПВК2, ПВК3 ;
чугун с пластинчатым графитом — СЧ ( цифры после букв « СЧ », значат величину временного сопротивления разрыву в кгс/мм ) ;
антифрикционный чугун антифрикционный серый — АЧС, антифрикционный высокопрочный — АЧВ, антифрикционный ковкий — АЧК ;
чугун с шаровидным графитом для отливок — ВЧ ( цифры после букв « ВЧ » означают временное сопротивление разрыву в кгс/мм и относительное удлиненние ( % ) ;
чугун легированный со специальными свойствами — Ч.

отличие от стали, температура плавления чугуна и стали

Чугун — это сплав железа с углеродом. По процентному содержанию железа содержится более 90%. Количество углерода колеблется в пределах 2,14- 6,67%. Благодаря этому элементу материал имеет высокую твердость, но появляется хрупкость. Это влечет ухудшение ковкости и пластичности. В некоторые виды для улучшения характеристики добавляются легирующие элементы: алюминий, хром, ванадий, никель.

Характеристика видов углеродистого металла

Диаграмма железо-углерод показывает, из чего состоит чугун. Кроме железа, присутствует углерод в виде графита и цементита.

Состав сплава чугуна имеет разновидности:

• Белый. Присутствующий здесь углерод находится в химически связанном состоянии. Металл прочный, но хрупкий, поэтому плохо поддается механической обработке. В промышленности используется в виде отливок. Свойство материала позволяют вести его обработку абразивным кругом. Сложность вызывает процесс сварки, поскольку есть вероятность появления трещин из-за неоднородности структуры. Применение нашел в областях, связанных с сухим трением. Обладает повышенной жаростойкостью и износостойкостью.
• Половинчатый. Обладает повышенной хрупкостью, поэтому не нашел широкого применения.
• Серый. ГОСТ 1412–85 указывает, какой процент примесей содержит в своем составе этот металл: 3,5% углерода, 0,8% марганца, 0,3% фосфора, 0,12% серы и до 2,5% кремния. Присутствующий в пластинчатой форме углерод создает низкую ударную вязкость. Характеристика вида указывает, что на сжатие материал работает лучше, чем на растяжение. При достаточном нагреве обладает неплохой свариваемостью.
• Ковкий. Ферритовая основа такого вида обеспечивает ему высокую пластичность. В изломе имеет черный, бархатистый цвет. Получается из белого, который томится длительное время при температуре 800−950 градусов.
• Высокопрочный. Отличие от других видов заключается в присутствии графита шаровидной формы. Получается из серого после добавления в него магния.

Индивидуальные свойства металла

Материал характеризуется определенными характеристиками. К ним относятся:

• Физические. Такие величины, как удельный вес или коэффициент расширения зависят от того, сколько составляет в металле содержание углерода. Материал тяжелый, поэтому из него можно делать чугунные ванны.
• Тепловые. Теплопроводность позволяет аккумулировать тепло и удерживать, распространяя его равномерно во все стороны. Это используется при изготовлении сковородок или батарей для отопления.
• Механические. Эти характеристики меняются в зависимости от графитовой основы. Наиболее прочный — серый чугун, имеющий перлитовую основу. Материал с ферритовой составляющей более ковкий.

В зависимости от наличия примесей появляется разница в свойствах материала.

К таким элементам относятся сера, фосфор, кремний, марганец:

• Сера уменьшает текучесть металла.
• Фосфор понижает прочность, но позволяет изготавливать изделия сложной формы.
• Кремний увеличивает текучесть материала, снижая его температуру плавления.
• Марганец дает прочность, но понижает текучесть.

Различия между чугуном и сталью

Чтобы понять, чем отличается сталь от чугуна, нужно рассмотреть их характеристики. Отличительной особенностью чугуна является количество углерода. Минимальное содержание его составляет 2,14%. Это основной показатель, по которому можно отличить этот материал от стали.

Содержание железа в стали составляет 45%, а процентное содержание углерода до 2. Для определения различий на глаз нужно обратить внимание на цвет. Сталь имеет светлый оттенок, а чугун темный.

Определить же процентное содержание примесей может только химический анализ. Если сравнивать температуру плавления чугуна и стали, то у чугуна она ниже и составляет 1150−1250 градусов. У стали — в районе 1500.

Чтобы отличить материал, нужно провести следующие действия:

• Изделие опускается в воду и определяется объем вытесненной воды. У чугуна плотность меньше. Она составляет 7,2г/см3. У стали — 7,7−7,9 г / см3 .
• К поверхности прикладывается магнит, который к стали притягивается лучше.
• При помощи шлифовальной машинки или напильника натирается стружка. Затем она собирается в бумагу и вытирается об нее. Сталь не оставит следов.

Плюсы и минусы материала

Как и любой материал, чугун имеет положительные и отрицательнее стороны. К положительным качествам относятся:

• большая разновидность состояний.
• некоторые виды обладают высокой прочностью;
• возможность длительное время сохранять температуру;
• экологическая чистота, что позволяет изготавливать из него посуду;
• стойкость к кислотно-щелочной среде;
• высокая гигиеничность;
• длительный срок эксплуатации и долговечность;
• безвредность материала.

Однако и минусы тоже присутствуют. К ним относятся:

• при длительном нахождении в воде поверхность покрывается ржавчиной;
• высокая стоимость материала;
• низкая пластичность серого вида чугуна;
• хрупкость.

Чугун — это металл, который характеризуется высоким содержанием углерода. Благодаря этому у него присутствуют качества, которые бывают необходимы для промышленных и бытовых целей.

Железоуглеродистые сплавы — сталь и чугун

Наиболее широкое применение в современном машиностроении имеют железоуглеродистые сплавы — сталь и чугун.

Сталь — это сплав железа с углеродом; содержание углерода в стали не превышает 2%.

К сталям относятся:

• техническое железо,

• конструкционная и

• инструментальная сталь.

Чугун — сплавы железа с углеродом, в которых содержание углерода превышает 2%. Среднее содержание углерода в чугуне 2,5—3,5%.

Кроме железа и углерода, в сталях и чугунах присутствуют примеси:

• кремний и марганец в десятых долях процента (0,15— 0,60%)

• сера и фосфор в сотых долях процента (0,05—0,03%) каждого элемента.

Сталь

Сталь с содержанием углерода до 0,7% применяется для изготовления:

• листов,

• ленты,

• проволоки,

• рельсов,

• таврового и уголкового железа,

• различного фасонного профиля,

• а также для многочисленных деталей в машиностроении: шестерни, оси, валы, шатуны, болты, молотки, кувалды и т.п.

Сталь с содержанием углерода свыше 0,7% применяется для изготовления различного режущего инструмента:

• резцы,

• сверла,

• метчики,

• бородки,

• зубила и др.

Свойства стали зависят от содержания углерода. Чем больше углерода, тем сталь прочнее и тверже.

Машиностроительный чугунприменяют для производства отливок всевозможных деталей машин.

По составу и строению чугуны делятся на:

• белый,

• серый,

• ковкий.

Ковкий чугун

Ковкий чугун получается в результате специальной обработки белого чугуна. В белом чугуне весь углерод находится в химически связанном состоянии с железом (Fe₃C — цементит), что придает этому чугуну большую твердость и хрупкость и плохую обрабатываемость.

Белый чугун

В машиностроении белый чугун применяют для изготовления отливок, отжигаемых на так называемый ковкий чугун.

При отжиге цементит разлагается па железо и свободный углерод, и отливки приобретают невысокую твердость и хорошую обрабатываемость.

Серый чугун

Наиболее широкое применение в технике имеет серый чугун, в котором большая часть углерода находится в свободном состоянии, в виде графита. Этому способствует высокое содержание кремния.

Такой чугун обладает хорошими литейными качествами и применяется для производства чугунных отливок. Детали из этого чугуна получаются путем отливки в земляные или металлические формы (станины, шестерни, цилиндры, блоки и т.п.).

Благодаря наличию свободного углерода (графита) серый чугун имеет небольшую твердость и хорошо обрабатывается резанием.

§

Углеродистый чугун | Учебные материалы

Чугун — это сплав железа с углеродом, в котором содержание углерода больше 2,14 %.

Кроме углерода и железа, в сплаве присутствуют примеси: кремний, марганец, фосфор, сера и др. Эти примеси оказывают существенное влияние на формирование структуры сплава, а следовательно, и на механические, физические и другие свойства чугуна.

В зависимости от того, в какой форме присутствует углерод в сплавах, различают белые, серые, ковкие и высокопрочные чугуны. По химическому составу чугун делится на углеродистый и легированный.

Белыми называют чугуны в которых углерод находится преимущественно в связанном состоянии в виде цементита Fe3С (очень небольшое количество углерода находится в составе твердого раствора). Эти чугуны, фазовые превращения которых протекают согласно диаграмме Fe-С, подразделяются на доэвтектические, эвтектический и заэвтектические. Из-за большого количества цементита белые чугуны имеют высокую твердость 450…550 НВ, хрупкие и практически не поддаются обработке резанием, поэтому в качестве конструкционных материалов практически не применяются. Их можно применять для деталей, от которых требуется высокая износостойкость поверхности. Например, изготавливают шары шаровой мельницы для размола руды и минералов.

Белые чугуны являются передельными и из них получают сталь и ковкий чугун.

Серыми называют чугуны, в которых углерод находится преимущественно в свободном состоянии в виде пластинок графита. Графит образуется при очень малой скорости охлаждения, когда степень переохлаждения жидкой фазы невелика. Он растет из одного центра и, разветвляясь в разные стороны, приобретает форму сильно искривленных лепестков. В плоскости шлифа графит имеет вид прямолинейных или завихренных пластинок, которые представляют собой сечения графитных лепестков. В изломе эти чугуны имеют серый цвет. Механические свойства чугуна обусловлены его структурой, главным образом графитной составляющей, его количеством, формой и размерами включений.

Графит имеет низкую прочность, и его можно рассматривать как внутренние надрезы, нарушения сплошности металлической основы. С увеличением содержания углерода больше выделений графита и меньше механическая прочность чугуна. Серый чугун плохо сопротивляется растяжению, хрупкий, но обладает хорошей жидкотекучестью, малой усадкой при кристаллизации, легко обрабатывается резанием, хорошими антифрикционными свойствами (графит выполняет роль смазки), поглощает вибрацию, малочувствителен к концентраторам напряжений (надрезам, выточкам).

Удельный вес серого чугуна колеблется в пределах 6,6…7,4 г/см³ и зависит от количества углерода, степени графитизации и количественного соотношения структурных составляющих.

Теплоемкость серого чугуна также зависит от вышеперечисленных факторов и в интервале температур 0…700 ⁰С равна 16 кал/(г∙⁰С). Теплопроводность равна 0,16 кал/(см∙с∙⁰С). Средний коэффициент линейного термического расширения в интервале температур 0…100 ⁰С можно принять (10…11)∙10⁶ см/(см∙⁰С), а в интервале температур 100…700 ⁰С он равен 14∙10⁶ см/(см∙⁰С).

Основными элементами в чугунах являются Fe-C-Si и постоянными примесями — Мn, Р, S. Кремний обладает сильным графитизирующим действием, марганец затрудняет графитизацию. Сера является вредной примесью, ухудшает литейные и механические свойства чугунов.

Фосфор является в чугунах полезной примесью, так как улучшает жидкотекучесть. Участки фосфидной эвтектики увеличивают твердость и износостойкость чугуна. Чаще всего содержание фосфора находится в пределах 0,2…0,5 %. Для отливок, от которых требуется высокая износостойкость, содержание фосфора допускается 0,7 %, а для художественного литья — до 1 %.

Наглядное представление о влиянии углерода и кремния на степень графитизации чугуна и его структуру дает структурная диаграмма (толщина стенки отливки 50 мм), приведенная на рисунок 37.

I- белый чугун; II- половинчатый чугун; III- серый чугун на перлитной основе; IV- серый чугун на ферритно-перлитной основе; V- серый чугун на ферритной основе

Рисунок 37 — Структурная диаграмма

Серый чугун маркируется буквами СЧ, после которых ставится число, показывающее гарантируемый предел прочности на растяжение в кгс/мм²

(10^-1 МПа).

Ферритные чугуны марок СЧ10, СЧ15, СЧ18 применяются для малоответственных деталей, испытывающих небольшие нагрузки. Например, фундаментные плиты, крышки, фланцы, рамы двигателей, компрессоров, шиберы и заслонки печей, корпусы фильтров и масленок, маховики, корпуса редукторов, насосов, тормозные барабаны, диски сцепления и др. Структура серых чугунов приведена на рисунок 38.

Феррито-перлитные чугуны марок СЧ20, СЧ21, СЧ25 применяются для деталей, работающих при повышенных статических и динамических нагрузках. Например, головки цилиндров, поршни, втулки для поршневых колец паровых цилиндров, колеса центробежных насосов, станины станков, зубчатые колеса, диафрагмы, цилиндры низкого давления и выхлопные патрубки турбин.

а- на ферритной основе; б- на ферритно -перлитной основе;

в- на перлитной основе

Рисунок 38 — Структура серых чугунов

Перлитные чугуны марок СЧ30, СЧ35, СЧ40, СЧ45 применяют для деталей, работающих при высоких нагрузках или в тяжелых условиях износа: зубчатые колеса, гильзы блоков цилиндров, распределительные валы и др. Мелкие разобщенные графитовые включения меньше снижают прочность чугунов. Измельчение графитовых включений достигается путем модифицирования жидкого чугуна ферросилицием, алюминием или феррокальцием (0,3…0,6 % от массы шихты). Отливки из серого чугуна подвергают термической обработке: для снятия внутренних напряжений — отжиг I рода (560 ⁰С), нормализацию или закалку с отпуском для повышения механических свойств и износостойкости. Для повышения износостойкости гильз цилиндров, распределительных валов и других изделий перлитные чугуны подвергают азотированию.

Ковкими называют чугуны, в которых углерод находится в свободном состоянии в форме хлопьев. Такая форма графита и является основной причиной высоких прочностных и пластических характеристик ковкого чугуна. Термин ”ковкий чугун” является условным, поскольку изделия из него, так же как и из любого другого чугуна, изготавливают не ковкой, а путем литья, и указывает на повышенную пластичность по сравнению с серым чугуном. Состав ковкого чугуна выдерживается в довольно узких пределах: 2,4…2,9 % С; 1,0…1,6 % Si; 0,2…1,0 % Мn; до 0,18 % Р и до 0,2 % S.

Невысокое содержание углерода в ковком чугуне необходимо по двум причинам. Во-первых, для получения высоких прочностных характеристик следует уменьшить количество графитовых включений. Во-вторых, необходимо избегать выделения пластинчатого графита при охлаждении отливок в форме (с этой же целью толщина стенки отливки не должна превышать 50 мм).

Ковкий чугун получают из белого путем отжига, который продолжается иногда до 5 суток. По структуре металлической основы (рисунок 39), которая определяется режимом отжига, ковкие чугуны бывают ферритными и перлитными.

Отжиг на ферритные чугуны проводится по режиму 1 (рисунок 40), обеспечивающему графитизацию всех видов цемента белого чугуна.

а – ферритного; б – перлитного

Рисунок 39 – Микроструктура ковких чугунов

Рисунок 40 – Схема отжига белого чугуна на ковкий

Отливки из белого чугуна загружают в металлические ящики и засыпают песком или стальными стружками для защиты от окисления и медленно нагревают до температуры 950…1000 ⁰С. В процессе продолжительной (10…15 ч) выдержки при такой температуре происходит первая стадия графитизации. Она состоит в распаде эвтектического и избыточного вторичного цементита.

К концу первой стадии чугун состоит из аустенита и включений углерода отжига (А + Г). Затем температуру медленно снижают до 720…740 ⁰С. При этом происходит вторая стадия графитизации.

В процессе выдержки (25…30 ч) распадается цементит перлита:

П(Ф + Ц) -> Ф + Г

и образуется ковкий чугун на ферритной основе.

Перлитный чугун получают отжигом, который проводят в окислительной среде по режиму 2 (см. рис. 40). В этом случае увеличивают продолжительность первой стадии графитизации, после которой проводят непрерывное охлаждение отливок до 20 ⁰С. Аустенит превращается в перлит (А -> П), а графит сохраняется в структуре. Получается ковкий чугун на перлитной основе.

Ковкие чугуны маркируются буквами КЧ, после которых ставятся числа, показывающие гарантируемые предел прочности на растяжение в кгс/мм2

(10^-1 МПа) и относительное удлинение в процентах. Марки ковкого чугуна:

• КЧ-30-6; КЧ 35-10; КЧ 37-12 — ферритные;
• КЧ 45-7; КЧ 60-3; КЧ 80-1,5 — перлитные.

Из этих чугунов изготавливают детали высокой прочности, работающие в тяжелых условиях износа, способные воспринимать ударные и знакопеременные нагрузки. Большая плотность отливок ковкого чугуна позволяет изготовлять детали водо- и газопроводных установок, корпуса вентилей, кранов, задвижек.

Высокопрочными называют чугуны, в которых углерод находится в свободном состоянии в виде шаровидного графита. Их получают модифицированием магнием, который вводят в жидкий чугун в количестве 0,02…0,08 %. Ввиду того, что модифицирование чистым магнием сопровождается значительным пироэффектом, применяют сплав магния с никелем.

Чугун после модифицирования имеет следующий химический состав: 3,0…3,6 % С; 1,1…1,9 % Si;. 0,3…0,7 % Мn;. до 0,02 % S и до 0,1 % P. По структуре металлической основы чугун может быть ферритным или перлитным (рисунок 41).

а- ферритного; б- перлитного

Рисунок 41 — Микроструктура высокопрочных чугунов

Шаровидный графит — менее сильный концентратор напряжений, чем пластинчатый или хлопьевидный графит, и поэтому меньше снижает механические свойства металлической основы. Чугуны обладают высокой прочностью и некоторой пластичностью, сохраняют свою прочность до 500 ⁰С (обычный чугун до 400 ⁰С). Они маркируются буквами ВЧ, после которых ставится число, показывающее гарантируемый предел прочности на растяжение в кгс/мм² (10^-1 МПа). Марки высокопрочного чугуна:

• ВЧ 38; ВЧ 42; ВЧ 50 — ферритные;
• ВЧ 60, ВЧ 80; ВЧ 120 — перлитные.

Высокопрочные чугуны применяют в различных отраслях техники, эффективно заменяя сталь во многих изделиях и конструкциях. Например, корпуса паровых турбин, насосов, вентилей, лопатки направляющего аппарата, коленчатые валы, поршни и другие ответственные детали, работающие при высоких циклических нагрузках и в условиях изнашивания.

В некоторых случаях для улучшения механических свойств применяют термическую обработку отливок; для повышения прочности — закалку и отпуск при 500…600 ⁰С; для увеличения пластичности — отжиг.

Недостатком высокопрочного чугуна является значительная объемная усадка, что приводит к появлению в отливках усадочной пористости, газовых раковин.

Чугун — сплав железа с углеродом

Чугун – самый распространенный литейный сплав. Интересна история его появления. Первоначально железо не плавили, а просто отжигали в горне железную руду с древесным углем, получая губчатое железо – крицу. Для плавления металла было недостаточно температуры, потому что горны были небольшие. Затем крицу ковали. Но в средние века неизвестный металлург сделал большой горн, и металл расплавился и застыл на дне горна. Кузнец попытался его проковать, но разбил на мелкие кусочки. Обруганное свинячье железо (чушка, pig-iron) было непрочным, но прочно заняло место среди литейных сплавов, когда металлурги поняли, что его можно отливать, как тогдашний литейный сплав — бронзу. С тех пор чугунное литье окружает нас в быту и технике.

Чугуны представляют собой сплав железа с углеродом и могут обладать уникальными механическими свойствами которые зависят от количества и формы графита Наряду с углеродом и железом в состав серого чугуна входит кремний, марганец и фосфор. Эти компоненты оказывают существенное воздействие на свойства сплавов и характеристики выполненных из них литейных заготовок. По своей структуре серый чугун может быть ферритным, ферритно-перлитным или перлитным, что следует учитывать при выборе типа сплава для производства отливки.

Серый чугун

Чугун с включениями пластинчатого графита, обладает высокими показателями прочности на сжатие, растяжение и изгиб, а также такими уникальными свойствами, как вибропоглощение и высокая стабильность размеров при изменении температуры окружающей среды, что делает его незаменимым при станкостроении, изготовлении оптических приборов и т.д.

Пластические свойства серых чугунов данной категории достаточно низкие. Это объясняется тем, что плоские включения разграничивают структуру чугуна на отдельные зерна и, тем самым, становятся причиной хрупкости.

Для маркировки металла используются буквы СЧ с двумя числами, где первое указывает на предел прочности при растяжении, а второе – при изгибе.

Высокопрочный чугун

Представляет собой сплав, содержащий включения графита сферической формы. Такой состав обеспечивает максимальную однородность материала, пластичность и ударную вязкость. Высокое содержание углерода гарантирует таким изделиям износостойкость и прочность на сжатие. Заготовки из ВЧ отличаются лучшими характеристиками для механической обработки, но по своим литейным показателям уступают серому чугуну. Усадка литейных заготовок может достигать 1,3-1,8%. Сырьем для производства высокопрочных марок металла служит обычный серый чугун. Улучшенные характеристики материалу обеспечивает добавление в процессе литья 0,5-1% магния (Mg) и РЗМ (Ce и др.).

Металл маркируется буквами ВЧ. Два числа, присутствующие в маркировке, указывают на предел прочности при растяжении и относительное удлинение.

Чугуны со специальными свойствами

Помимо традиционных сплавов используются материалы со специальными свойствами: антифрикционные, износостойкие и жаростойкие чугуны, а также металлы с повышенной устойчивостью к образованию коррозии.

Антифрикционные чугуны.

Сплавы данной категории включают марки металла АЧС-1 – АЧС-6, АЧВ-1, АЧВ-2, АЧК-1, АЧК-2 с перлитной, перлитно-ферритной или аустенитной структурой. Используются такие сплавы для производства деталей, подверженных в процессе эксплуатации трению со смазкой.  Широкое применение они получили при изготовлении изнашиваемых деталей строительной техники, оборудования горнодобывающей и угольной промышленности.

Чугуны, устойчивые к износу, коррозии и высоким температурам.

Для легирования таких металлов используются Al, Si, Cr и другие элементы. Благодаря этому может улучшиться как один, так и несколько показателей сплава. К категории наиболее износостойких сплавов относится белый чугун с высоким содержанием хрома. Такие сплавы активно применяются в металлургии и производстве тяжелой строительной техники. Высокой жаростойкостью обладает чугун, легированный алюминием, а устойчивостью к образованию коррозии в кислотных и щелочных растворах – сплавы с высоким содержанием кремния.

Чугун: состав и свойства | Сплавы | Утюг

В этой статье мы обсудим: — 1. Введение в чугуны 2. Состав и скорость охлаждения чугунов 3. Сравнение свойств 4. Наука о разработке микроструктур.

Чугуны — это сплавы железо-углерод (и кремний), имеющие углеродный или углеродный эквивалент, превышающий 2% (на самом деле это 2,1-1%), то есть больше, чем максимальная растворимость углерода в твердом аустените, при которой происходит эвтектическая реакция. во время застывания.Поскольку более высокое содержание углерода делает их более хрупкими, промышленные чугуны обычно содержат углерод от 2,11 до 4% и кремний от 0,5 до 3% (наряду с другими элементами, такими как марганец, сера и фосфор).

Чугун, будучи хрупким, нельзя ковать, катать, вытягивать и т. Д., А можно только «отливать» в желаемые формы и размеры (с механической обработкой или без нее) путем заливки расплавленного сплава желаемого состава в форму желаемого размера. форма, а затем, позволяя ему затвердеть.

Поскольку литье является единственным и единственным подходящим процессом для придания формы этим сплавам, они называются чугунами.Чугуны — наименее дорогие, легкоплавкие (1140-1200 ° C) материалы с хорошей литейной способностью, хорошей обрабатываемостью, хорошей износостойкостью, высокой демпфирующей способностью, высокой прочностью на сжатие (в 3-5 раз выше прочности на разрыв), нечувствительностью к надрезам (серый утюги) и хорошей коррозионной и жаростойкостью. Хотя чугуны уступают стали по механическим свойствам, они превосходят их по демпфирующей способности, качеству скольжения, износостойкости и, конечно же, стоимости.

Состав и скорость охлаждения чугунов:

Углерод в чугуне может находиться в комбинированной форме в виде цементита, в свободной форме в виде графита или в том и другом виде.

Зависит от химического состава (включая наличие зародышей графита) и скорости охлаждения отливки из расплавленного состояния:

1. Состав чугуна:

(а) Углерод:

По мере увеличения содержания углерода температура плавления (по сравнению со сталями) снижается до 1200–1140 ° C, и, таким образом, углерод действует как графитизатор. Но чем больше образуется графита, тем ниже механические свойства.

(б) Кремний (0,5-3,0%):

Кремний в основном контролирует форму углерода, присутствующего в чугуне. Кремний — сильный графитизатор. В зависимости от его содержания (и скорости охлаждения) кремний не только помогает осаждать графит во время затвердевания, но также может графитизировать вторичный, а также эвтектоидный цементит. После того, как чешуйка графита сформировалась, ее форму нельзя изменить позже никаким способом. Рис. 15.1 (b) иллюстрирует влияние углерода и кремния на структуру белого или серого чугуна.

Кремний снижает эвтектический состав примерно на 0,30% углерода на каждый 1% кремния, то есть эвтектический состав затем рассчитывается с использованием CEV. Кремний также снижает содержание эвтектоидного углерода. В зависимости от содержания кремния и скорости охлаждения содержание углерода в перлите снижается до 0,50% при 2,5% кремния.

Кремний сдвигает эвтектическую линию графита вверх, так что температурный интервал между линией графита и линией цементита увеличивается с 6 ° C при 0% Si до 35 ° C при 2% Si (это увеличивает степень переохлаждения, что способствует образованию графита. ).

Природа чугуна, белого или серого, может быть изменена путем изменения содержания углерода и кремния, а также скорости охлаждения. Для высокой прочности углерод держится на нижней стороне (чтобы иметь небольшой объем графита), а кремний — на верхней стороне (сохраняя баланс, чтобы получить хорошую обрабатываемость). Рис. 15.1 (а) показывает, что наибольшая структурная прочность достигается, когда углерод составляет около 2,75%, а кремний — около 1,5%, т.е. когда матрица полностью перлитная.

Рис.15.2 показывает, что перлитный серый чугун CEV = 4,2 должен иметь размер пластины толщиной от 15 до 4,5 мм или от 30 до 8,5 мм в диаметре. полоса, иллюстрирующая влияние скорости охлаждения. Легирующие элементы, добавленные для придания особых свойств, создают ощущение холода. Некабидообразующие элементы, такие как Ni, Al, Cu, способствуют образованию графита, тогда как карбидообразующие элементы, такие как Mn, Cr, Mo и т. Д., Способствуют образованию цементита.

В зависимости от потенции эффект обычно рассчитывается как эквивалент кремния:

Si Equ.Значение-% Si + 3 (% C) + 0,3 (Ni% +% Cu) + 0,5 (% Al) +% P — 0,25 (% Mn) — 0,35 (% Mo) — 1,2 (% Cr)… (15,1)

(c) Сера и марганец:

Сера (0,06-0,12%), когда она присутствует в виде FeS (который увеличивает склонность к хрупкости), имеет тенденцию способствовать образованию цементита, то есть замедляет графитизацию и увеличивает размер чешуек. Марганец (0,5-1,0%) является мягким карбидообразующим веществом и регулирует эффект серы, если присутствует достаточное количество Mn (одна часть серы на 1.72 части марганца), так как он имеет большее сродство к сере (чем Fe) с образованием MnS, который поднимается к верху отливки, чтобы присоединиться к шлаку, — таким образом устраняет красную непереносимость эвтектики FeS.

Марганец, таким образом, имеет косвенный эффект, способствуя графитизации, поскольку он удаляет серу (которая способствует образованию цементита). Более прямые эффекты марганца включают сильное стабилизирующее действие на цементит на эвтектоид-графитизацию (около 1% Mn может быть добавлено для получения перлитной матрицы в графитовых чугунах), упрочнение железа, измельчение зерен и увеличение прочности.

(г) Фосфор (0,1-0,9%):

Когда фосфор составляет менее 0,3%, он растворяется в феррите, в противном случае он образует Fe ₃ P, который образует эвтектику (91,19% Fe, 1,92% C, 6,89% P), называемую стеадитом, который является хрупким (вызывает хладостойкость , т. е. отливки непригодны по ударопрочности) и легкоплавкие, МП 960 ° С.

Это увеличивает диапазон эвтектического затвердевания и, таким образом, способствует образованию графита и улучшает литье даже тонких и сложных профилей.1% фосфора в чугуне дает стеадит, который составляет 10% от объема отливки; эффект охрупчивания стеадита очевиден.

2. Скорость охлаждения чугуна :

В сплавах Fe-C, хотя графит является более стабильной фазой, но образование цементита кинетически благоприятно, так как это легче и быстрее (для разделения требуется только 6,67% атомов углерода) с образованием цементита. Высокая скорость охлаждения предотвращает образование графита на всех стадиях (от жидкости до эвтектоидной реакции).

Однако, если содержание кремния превышает 3%, графит получается даже при быстром охлаждении отливки. На рис. 15.2 показано влияние размера сечения (т. Е. Скорости охлаждения) и значения углеродного эквивалента на тип конструкции и, таким образом, на тип полученного чугуна.

Присутствие модификаторов, таких как Ca, Al, Ti, Zr, SiC, CaSi и т. Д., Уменьшает размер чешуек и улучшает однородность их распределения, вероятно, потому, что зародыши способствуют зарождению первичного аустенита, таким образом, уменьшая их зернистость. размер, а значит, и размер хлопьев, и лучшее распределение.

Сравнение свойств чугунов:

В таблице 15.6 сравниваются некоторые свойства некоторых чугунов. Серый чугун является самым дешевым и легким для получения прочного литья. Чугуны с компактным графитом обладают превосходными механическими свойствами даже при повышенных температурах, чем серый чугун, но они дороги и обычно не подвергаются термообработке.

Миханитовый чугун лучше серого чугуна, но немного дороже. Чугун S.G. подвергается большей усадке во время литья (требуются стояки большего размера и т. Д.) и являются дорогими, но обеспечивают гораздо более высокую прочность, пластичность и ударную вязкость. Ковкий чугун трудно отливать (как белый чугун), и есть ограничения по размеру сечения, чем у чугуна S.G.

В конечном виде они обычно стоят дороже, чем чугун S.G., но тонкие срезы ковкого чугуна могут быть предпочтительнее из-за более высокой прочности; Для получения более однородной структуры железо S.G. может потребоваться отжиг.

Для различения утюгов S.G. Iron издает отчетливое кольцо при ударе молотком (не такое чистое, как сталь), в то время как серый чугун издает приглушенный звук.Однако при дыхании только что отполированной поверхностью S.G. железа возникает запах ацетиленового газа (его карбид магния вступает в реакцию с влагой из дыхания).

Наука о разработке микроструктур чугунов:

Графитовые чугуны содержат графит, внедренный в стальную матрицу, то есть различные пропорции феррита и перлита (от нуля процентов перлита до 100%). Свойства чугунов определяются как свойствами матрицы, так и количеством, размером, формой и распределением столь необходимых включений графита (для некоторых свойств, таких как обрабатываемость, демпфирующая способность, износостойкость и т. Д.). Чешуйки графита в сером чугуне обладают эффектом ослабления и охрупчивания, поскольку графит можно представить как пустоты или острые трещины, нарушающие целостность пластичной матрицы.

Острые концы каждой чешуйки действуют как внутренняя выемка, которая под воздействием напряжения действует как концентратор напряжения, легко распространяя трещину в пластической матрице, давая хрупкую, покрытую сажей, серую трещину при низких напряжениях от 150 до 400 МНм. ^-2 , в зависимости от характера матрицы; максимальное значение имеет место, когда матрица состоит только из тонкого перлита.

Термическая обработка серого чугуна может привести к образованию других структур матрицы, таких как отпущенный мартенсит, который обычно обладает более высокими прочностными свойствами, но такие важные свойства, как предел прочности на разрыв, ударная вязкость и пластичность, не сильно меняются, потому что хлопья вызывают хрупкое разрушение. . Прочностные свойства серого чугуна еще больше ухудшаются по мере того, как объем графита становится больше, а чешуйки становятся более крупными. Замкнутая сеть чешуек графита приводит к худшим механическим свойствам.

Повышение прочности и ударной вязкости может быть достигнуто за счет уменьшения размера чешуек, как в случае механита железа, и за счет уменьшения общего объема графита за счет меньшего содержания углерода и кремния. Затем прочность и ударную вязкость можно повысить за счет термической обработки, то есть путем изменения матрицы.

Эффект охрупчивания графита может быть значительно снижен, поскольку форма графита изменяется от чешуйчатой ​​до сфероидальной, поскольку круглые графитовые включения не создают резких концентраций напряжений, поскольку они не действуют как острые трещины в матрице (даже короткие чешуйки- графитовые стержни со скругленными краями в чугуне с компактным графитом являются меньшим концентратором напряжений).

Таким образом, чугуны S.G. обладают более высокой прочностью на растяжение и изгиб, а также пластичностью. С той же стальной матрицей пластичность (выраженная в% удлинения) чугунов изменяется в зависимости от заданной формы графита, т.е. пластичность, по-видимому, больше зависит от формы и размера графита, чем от металлической матрицы в графитовых чугунах.

Твердость (макро) больше зависит от структуры матрицы и меньше от формы графита. Серый чугун обычно закаливают и отпускают для повышения его устойчивости к износу и истиранию за счет увеличения твердости за счет структуры, состоящей из графита, встроенного в твердый мартенсит.Чугун вообще никогда не закаливают в воде (за исключением поверхностного упрочнения), поскольку он имеет относительно высокую закаливаемость для получения мартенсита закалкой в ​​масле и без создания больших закалочных напряжений.

Поскольку графит в виде конкреций в шаровидном чугуне (а также в ковком чугуне) не является резким концентратором напряжений и не действует как трещина, изменение микроструктуры матрицы путем соответствующей термической обработки приводит к заметному увеличению прочностные свойства чугуна с шаровидным графитом (также ковкого чугуна), и поэтому подвергаются различной термообработке.

Когда графитовый чугун нагревается для термообработки, он имеет тенденцию к образованию защитной атмосферы при помещении в герметичную печь или коробку, в противном случае происходит нежелательное сильное окисление. Образуется субшкала силиката железа, которую можно удалить только электролизом расплавленных солей (процесс Колена). Лучше использовать атмосферу защитного газа, особенно для деталей после чистовой обработки.

Нагрев графитового железа может изменить его матрицу. Когда он нагревается, то при температурах, приближающихся к более низкой критической температуре, выше примерно 540 ° C, его кремний может вызвать диссоциацию цементита перлита на феррит и углерод.Углерод диффундирует и откладывается на уже имеющемся графите.

Нижняя критическая температура чугуна рассчитывается как:

Нижняя критическая температура, ° C = 730 + 28 (% Si) — 25 (% Mn)… (15,2)

Когда этот чугун нагревается выше критической температуры, образуется аустенит, который за короткое время насыщается углеродом, растворенным в графите. Микроструктура чугуна при температуре немного выше T ₂ должна содержать графит и аустенит с точкой состава C ₁ , как показано на рис.15.14.

Если чугун нагревается до более высокой температуры, из графита растворяется больше углерода, чтобы насыщать аустенит при новой температуре. Например, при температуре T (≈ 900 ° C) аустенит имеет содержание углерода около 1,1%. Таким образом, как только аустенит получен, чугуны можно подвергать большей части термической обработки, как и сталям, при условии, что они экономичны с коммерческой точки зрения.

Химический состав также влияет на термическую обработку чугунов. В нелегированных чугунах есть кремний и марганец.Кремний ускоряет различные реакции, происходящие при термообработке; снижает растворимость углерода в аустените, увеличивает скорость диффузии углерода в аустените; значительно повышает температуру аустенизации, как указано в уравнении 15.2; уменьшает объем цементита в перлите, т.е. содержание углерода в перлите составляет менее 0,77% и может составлять 0,50% при 2,5% кремния.

Марганец оказывает противоположное действие — снижает температуру аустенизации; увеличивает растворимость углерода в аустените; уменьшает диффузию углерода в аустените; увеличивает объем цементита в перлите, т.е.е., увеличивает содержание углерода в перлите; стабилизирует перлитный карбид, тем самым увеличивает содержание перлита; уменьшает интервалы перлита, тем самым повышая прочность; увеличивает прокаливаемость, но обычно замедляет реакции термической обработки.

Легированный чугун — обзор

8.4.1 Катализ на основе металлов

В реакциях переэтерификации использовался гетерогенный катализ с участием металлов, соединений (переходных) металлов, металлоорганических соединений и комплексов металлов на носителе. Suppes и др. .[145] сообщили о каталитической активности различных металлов (Ni, Pd) и сплавов (чугун и нержавеющая сталь) для метанолиза соевого масла. Металлические катализаторы оценивали, прежде всего, для определения того, катализируют ли металлические поверхности реактора реакцию алкоголиза. Никель проявляет особенно высокую переэтерификационную активность (таблица 8.14) и может быть эффективным катализатором алкоголиза, если диспергирован на носителях с большой площадью поверхности. Некоторые металлические сплавы промышленных реакторов действуют как эффективные катализаторы переэтерификации [145].Очевидно, что исследования, проведенные с корпусами реакторов с открытыми металлическими поверхностями, могут привести к неверным интерпретациям каталитической реакционной способности, как, возможно, в случае алкоголиза над ZnO / Al ₂ O ₃ при высоких значениях T, p [82].

Таблица 8.14. Конверсия соевого масла на различных порошкообразных катализаторах и цеолитных катализаторах (без прокаливания) ^a (после ссылки [145])

Другие выбранные металлы (Pb, Zn, Fe, Cu, Ni, Sn, Al) были проверены на их каталитическую активность при переэтерификации SBO / MeOH [164]; Pb показал самую высокую активность, дав конверсию 55% (условия реакции: молярное соотношение MeOH / SBO = 42: 1, 5 мас.% Катализатора, 338 K, без сорастворителя). PCT Int. Заявка на патент. № WO 03/087279, выданный Center et al .[81] заявлено о большом разнообразии металлических катализаторов (включая Sn, Pb, Cd, Zn, Ti, Zr, Hf, Al, Sb, Ca, Bi, Mg, U) для переэтерификации в реакторе непрерывного действия с поршневым потоком, хотя без цитирования конверсий.

Патент США № 5,525,126 на имя Басу и Норриса [11] раскрывает катализаторы на основе соединений не щелочных металлов, состоящие из смеси ацетатов Са / Ва (3: 1 мас. / Мас.) Для производства FAAE для использования в качестве дизельного топлива из безводных масла и жиры с высоким содержанием FFA без стадии предварительной этерификации, но в довольно жестких условиях реакции ( T > 473 K).

Металлоорганические катализаторы, такие как метоксид и этоксид три- n -бутилолова, могут действовать как катализаторы переэтерификации с довольно низкими выходами (20–72%). Хотя оксид бис (три- n -бутилолова) показывает хорошие каталитические результаты при алкоголизе этиленгликоля (EG) и диэтиленгликоля (DEG) соевого масла и жира, эти компоненты хорошо растворимы в сложных эфирах жирных кислот, что затрудняет их разделение. Катализаторы на основе оксида алкилолова (0,01–3 мас.%) Также были заявлены для одностадийной этерификации / переэтерификации растительных масел и животных жиров при 423–473 К и 0.1–3,0 МПа при мольном соотношении спирт / масло от 3: 1 до 30: 1 [165]. Были предложены также оловоорганические оксиды в качестве катализаторов алкоголиза [166]. Абреу и др. . [167] предприняли попытку переэтерификации растительного масла в многофазных каталитических системах на основе связывания Sn (Hpy) ₂ (H ₂ O) ₂ (см. Раздел 8.2.1) с ионными жидкостями, такими как BMI (PF _{). 6} ) (BMI = 1-бутил-3-метилимидазол) или нанесение комплекса на кислотную ионообменную смолу (Dowex®50 WX8–100).Хотя было невозможно получить пригодную для повторного использования многофазную систему на основе этого иммобилизованного комплекса металла, SnO активен для метанолиза SBO в гетерогенной системе (конверсия 93% за 3 часа при 333 K для молярного отношения SBO / MeOH 4,15: 1. ). VO (acac) ₂ — гомогенная, а VO (acac) ₂ / селадонит — гетерогенная система для переэтерификации соевого масла [168].

Патент США № 5532392, выданный Gheorghiu [169], описывает катализаторы на основе органотитаната и (органо) карбоксилата титана, в частности тетрабутилортотитанат (промотированный 3 мас.% Ацетилацетоната цинка) для получения FAME из натуральных масел (таких как PMO, PKO, RSO) или жиров путем переэтерификации при 498 K и 5 МПа в течение 2–3 часов при молярном соотношении спирт / VO от 3: 1 до 9: 1.Поскольку для катализаторов на основе органотитанатов требуются масла или жиры с низким содержанием воды и фосфора, двухступенчатая предварительная обработка сырья (кислотное рафинирование до содержания P ниже 50 частей на миллион и комбинированная сушка / фильтрация через активную отбеливающую землю для получения H ₂ O <0,01% и P <15 ppm). Удивительно, но при содержании FFA ниже 5% стадия удаления жирных кислот (щелочной нейтрализацией или перегонкой с водяным паром) не требуется. Одновременная этерификация жирных кислот согласно уравнению 8.6 и переэтерификация в безводных условиях кажутся противоречивыми. Результаты скорее предполагают переэтерификацию, катализируемую кислотой. Поскольку катализатор не является ни щелочным, ни коррозионным, и не образуются коррозионные побочные продукты, оборудование может быть изготовлено из мягкой стали.

В таблице 8.15 перечислены некоторые соединения переходных металлов, активные при переэтерификации. Катализаторы на основе оксида цинка эффективны при переэтерификации масел более тяжелыми спиртами, чем метанол (например, EtOH, i -PrOH, n -BuOH), что является преимуществом с точки зрения температуры застывания полученного таким образом биодизельного топлива [172] .Дезактивации ZnO-катализатора метанолиза RSO не наблюдали в присутствии 2,5 мас.% H ₂ O [172]. Однако склонность ZnO (и ZnCO ₃ ) переходить в раствор, особенно в присутствии высоких концентраций свободных жирных кислот, снижает каталитический потенциал. Се и Хуанг [174] показали, что каталитическая активность сравнительно недорогого гетерогенного основного катализатора KF / ZnO в превращении SBO превосходит активность КОН / ZnO и K ₂ CO ₃ / ZnO.

Патент США № 5908946, Stern и др. . (IFP) [172] сообщил об использовании катализатора ZnO / Al ₂ O ₃ на носителе в производстве сложных алкиловых эфиров алкоголизом масел при высоких температурах (> 473 К) и давлениях; высокие конверсии (> 80%) наблюдались через 2 часа в реакторах периодического действия и непрерывном потоке с насадочным слоем. Поскольку выход составлял около 60% в отсутствие катализатора, металлическая поверхность используемого реактора могла способствовать результату.Также важно исключить щелочные соли перед прокаливанием, потому что в противном случае реальный катализатор может быть щелочной примесью, которая медленно растворяется в среде, и каталитическая активность постепенно снижается. ZnO / Al ₂ O ₃ способствует реакциям алкоголиза более высоких спиртов, чем метанол [172]. Переэтерификация глицеридов в биодизельное топливо в одну или несколько стадий также проводилась над родственным алюминатом цинка шпинельного типа, состоящим из ZnAl ₂ O ₄ xZnOyAl ₂ O ₃ (x, y = 0–2 ) [177, 178].Процесс IFP на основе катализатора шпинельного типа представляет собой значительное улучшение гетерогенного катализа. При использовании этого процесса окончательная очистка сводится к минимуму, и два продукта (FAAE и глицерин) получают с высокой степенью чистоты в условиях T = 443–523 K и p = 1,0–6,0 МПа [ 162, 172]. (Коммерческий) процесс подходит для рафинированных масел, отработанных масел для жарки, животных масел и жиров; Температура потери текучести более 10 К может быть достигнута с помощью сложных эфиров, образующихся с высшими спиртами.В недавнем PCT Int. Publ. № WO 2008/135665, Lecocq et al. . [157] IFP раскрыла улучшенные (основные) гетерогенные катализаторы фосфатного типа (такие как Zr (O ₃ POK) ₂ ) и органофосфорированные соединения металлов IV группы (Zr, Hf или Ti) (см. Раздел 15.3.1).

Benefuel Inc. (Маунт Проспект, Иллинойс) использует новый процесс с двойным металлическим катализатором (DMC) для переэтерификации триглицеридов (ENSEL ™; технология NCL), который может быть объединен с другим экономически эффективным способом превращения глицерина в глицерилполиэфиры. , таким образом преодолевая избыток глицерина [179].

Металлокомплексы на носителе также активны в реакциях переэтерификации простых эфиров и триглицеридов [180, 181]. Комплексы титаната, как в растворе, так и в форме на носителе, катализируют переэтерификацию по механизму кислоты Льюиса, когда реагирующий сложный эфир и металл образуют комплекс Льюиса, активирующий карбонильные группы для нуклеофильной атаки реагирующим спиртом. Промежуточный продукт распадается на полученный спирт и комплекс Льюиса со сложным эфиром и металлом. После десорбции сложного эфира продукта с сайта Льюиса цикл повторяют [180].В целом титанаты очень чувствительны к влаге.

Сильные кислоты Льюиса, такие как Ti (OR) ₄ , могут обеспечить эффективную альтернативу традиционным основным катализаторам Бренстеда [182]. Иммобилизованные титановые катализаторы на полимерной основе (Ti (O i -Pr) ₄ , привитые на пористые поли ( p -гидроксистирол) смолы с различными уровнями сшивки) были использованы для ускорения переэтерификации метилметакрилата (ММА) с 2-этилгексанол [181]. Высокодисперсные TiO ₂ / SiO ₂ катализаторы для производства биодизеля были получены прививкой Ti (O i -Pr) ₄ на диоксид кремния [183].

Многие металлические катализаторы обладают высокой токсичностью, что требует очень эффективных процедур удаления катализатора. Чтобы улучшить их применимость, они должны быть соответствующим образом закреплены на подходящих твердых опорах. Однако нанесенные (фиксированные) металлоорганические соединения часто менее активны, чем в растворе.

Чугун — обзор

1.2 Автомобильная промышленность

На автомобильном рынке свойства, представляющие интерес для автомобильного инженера, включают повышенную удельную жесткость, износостойкость и улучшенную стойкость к многоцикловой усталости (Allison and Cole 1993).В то время как снижение веса также важно в автомобильной промышленности, потребность в достижении повышения производительности с гораздо более низкими надбавками, чем допускаются в аэрокосмических приложениях, привлекает внимание к дешевым материалам и процессам. Было замечено успешное применение MMC в некоторых автомобильных приложениях, в которых сочетание свойств и стоимости удовлетворяло конкретным потребностям.

(a) Двигатель

Замена стали и чугуна в двигателях основана на повышенной удельной жесткости, улучшенной износостойкости и, в некоторых случаях, на увеличенной стойкости к многоцикловой усталости, обеспечиваемой MMC.

Водоразделом для алюминиевых MMC стал поршень Toyota для дизельных двигателей (Donomoto, и др. . 1983). Деталь состоит из выборочного армирования алюминиевого сплава заготовкой из рубленого волокна в области кольцевой канавки для обеспечения улучшенного сопротивления износу и термической усталости. Эти поршни серийно производятся в Японии с начала 1980-х годов.

Другие области применения поршней включают использование поковок из алюминия, армированного частицами SiC, в гонках.Благодаря более низкому коэффициенту теплового расширения MMC возможны уменьшенные зазоры между поршнем и стенкой цилиндра. На основании испытаний поршней MMC на велосипедах для дрэг-рейсинга, улучшенные характеристики по сравнению с обычными заэвтектическими сплавами Al – Si (Harrigan 1994).

Еще одно применение избирательного армирования — 2,3-литровый двигатель Honda Prelude (Hamajima и др. . 1990). В этом случае гибридные преформы, состоящие из волокон углерода и оксида алюминия, были пропитаны расплавленным алюминием, чтобы сформировать гильзы цилиндров во время процесса литья под давлением для блока цилиндров под средним давлением.

Другие компоненты трансмиссии, в частности шатуны, были в центре внимания разработок (Harrigan 1994). За счет уменьшения массы узла шатун / поршень можно уменьшить нежелательные вторичные силы сотрясения, которые могут возникнуть, особенно в двигателях меньшего размера. Кроме того, более низкие возвратно-поступательные нагрузки должны приводить к более низким нагрузкам на коленчатый вал, меньшим потерям на трение и повышению экономии топлива или производительности (Allison and Cole 1993). Коммерческое применение шатунов в крупногабаритных транспортных средствах не было достигнуто, в основном из-за сложности получения материала с необходимыми многоцикловыми усталостными характеристиками и низкой стоимостью комбинации.Хотя прототипы шатунов из горячекованой алюминиевой MMC были созданы и испытаны, требуется дальнейшее снижение затрат.

(b) Тормозная система

MMC на основе алюминия предлагают очень полезную комбинацию свойств для тормозных систем, заменяющих чугун. В частности, износостойкость и высокая теплопроводность алюминиевых MMC позволяют заменять роторы дисковых тормозов и тормозные барабаны с сопутствующей экономией веса порядка 50–60%. Поскольку снижение веса происходит за счет неподрессоренной массы, это также снижает инерционные силы и дает дополнительные преимущества.Кроме того, легкие роторы MMC обеспечивают повышенное ускорение и сокращенный тормозной путь. Сообщается, что на основе испытаний тормозного динамометра роторы MMC снижают шум тормозов, не так сильно изнашиваются и имеют более равномерное трение на протяжении всей последовательности испытаний по сравнению с чугунными роторами (Allison and Cole 1993). Достигнуто коммерческое применение алюминиевых MMC в тормозных роторах и барабанах; К ним относятся задние барабаны GM EV-1, а также роторы Plymouth Prowler и Lotus Elise.Примеры этих компонентов показаны на рис. 2.

Рис. 2. Компоненты тормозного ротора и тормозного барабана из литого алюминия MMC, армированного частицами SiC.

Также сообщалось о применении алюминиевых MMC в автомобильных гонках, где для улучшения характеристик приемлемы более дорогие материалы. Тормозные суппорты для гоночных автомобилей Формулы 1, произведенные из 2124 / SiC / 25p MMC, обеспечивают меньший рабочий объем, больший рычаг и более быструю остановку из-за повышенной жесткости материала (Hurley 1995).

(c) Приводной вал

Использование алюминиевых MMC в приводном валу позволяет использовать преимущества повышенной удельной жесткости этих материалов. Обычные приводные валы, будь то алюминиевые или стальные, ограничены скоростью, при которой вал становится динамически нестабильным. Критическая частота вращения карданного вала зависит от длины, внутреннего и внешнего радиуса и удельной жесткости. В автомобилях с ограничениями по упаковке, которые не позволяют увеличивать диаметр карданного вала, MMC предлагают желаемое решение.Использование MMC позволяет использовать карданный вал большей длины при заданном диаметре или валы меньшего диаметра при заданной длине. В результате этих преимуществ карданные валы, состоящие из материалов 6061 / Al ₂ O ₃ , полученных литьем с перемешиванием и последующей экструзией в трубы, были применены в грузовиках GM S-T и Chevrolet Corvette.

(d) Другие автомобильные приложения

MMC, в частности те, которые основаны на алюминиевых матрицах, являются кандидатами для использования в тормозных суппортах, корпусах насосов, шестернях, клапанах, кронштейнах, шкивах, компрессорах турбонагнетателей и нагнетателей, а также компонентах подвески (Allison and Cole 1993).Кроме того, они упоминались для использования в деталях сцепления, толкателях подвески и коромыслах, а также в других деталях коробки передач и двигателя (Hurley 1995).

Опора двигателя для General Motors EV-1 была прототипирована из B ₄ C-армированного алюминия, произведенного методом литья под давлением (Froes 1999).

Шипы зимних шин изготовлены из тянутой проволоки 6061 / Al ₂ O ₃ . В Финляндии, где куртки со стальными шипами запрещены, а неармированный алюминий имеет недостаточную износостойкость, успешно применяются куртки с шипами MMC (Nussbaum 1997).

Чугун: свойства, обработка и применение

Чугун — это сплав железа, содержащий 2–4 мас.% Углерода, 1–3 мас.% Кремния и меньшие количества второстепенных элементов [1]. Для сравнения, сталь имеет более низкое содержание углерода до 2 мас.% И более низкое содержание кремния.

Чугун также можно дополнительно оптимизировать путем легирования небольшими количествами марганца, молибдена, церия, никеля, меди, ванадия и титана перед литьем.

В зависимости от содержания кремния в чугуне он классифицируется как белый чугун или серый чугун и может подвергаться дальнейшей обработке при определенных температурах для получения ковкого или ковкого чугуна.

Общие свойства чугуна

Чугун высоко ценится за его способность легко отливать сложные формы в расплавленном состоянии и за его низкую стоимость. Кроме того, его свойства можно легко изменить, регулируя состав и скорость охлаждения без значительных изменений в методах производства.

Его другие основные преимущества перед литой сталью включают простоту обработки, гашение вибрации, прочность на сжатие, износостойкость и коррозионную стойкость [2]. Коррозионная стойкость чугуна повышается за счет добавления второстепенных элементов, таких как кремний, никель, хром, молибден и медь [3].

Виды чугуна и их применение

Чугун можно разделить на серый чугун, белый чугун, ковкий чугун и ковкий чугун, в зависимости от его состава.

Серый чугун

Серый чугун или серый чугун имеет темно-серый цвет излома из-за графитовой микроструктуры. Наличие чешуек графита связано с добавлением кремния, который стабилизирует углерод в виде графита, а не карбида железа. Серый чугун обычно имеет состав 2.5–4,0 мас.% Углерода и 1,0–3,0 мас.% Кремния [1].

Применение серого чугуна

Серый чугун — наиболее распространенная форма чугуна. Он используется в приложениях, где его высокая жесткость, обрабатываемость, гашение вибрации, высокая теплоемкость и высокая теплопроводность являются преимуществом, например, в блоках цилиндров двигателя внутреннего сгорания, маховиках, картерах коробки передач, коллекторах, роторах дисковых тормозов и посуде.

Обычно используемой классификацией серого чугуна является международный стандарт ASTM A48.В соответствии с этой системой серые чугуны классифицируются в соответствии с их пределом прочности на разрыв, например, серый чугун класса 20 имеет минимальную прочность на разрыв 20000 фунтов на квадратный дюйм (140 МПа).

Белый чугун

Белый чугун имеет белый цвет излома из-за присутствия карбида железа или цементита Fe3C. Наличие углерода в этой форме, в отличие от графита, является результатом более низкого содержания кремния по сравнению с серым чугуном. Белый чугун обычно содержит 1,8 мас.% — 3,6 мас.% Углерода, 0,5 мас.% — 1,9 мас.% Кремния и 1,0 мас.% — 2,0 мас.% Марганца.

Белый чугун чрезвычайно износостойкий, но хрупкий. Они обладают высокой твердостью благодаря своей микроструктуре, содержащей крупные частицы карбида железа, и не поддаются механической обработке.

Аппликации из белого чугуна

Белый чугун используется в износостойких деталях, хрупкость которых не вызывает особого беспокойства, таких как футеровка корпуса, шламовые насосы, шаровые мельницы, подъемные штанги, экструзионные форсунки, смесители для цемента, трубопроводная арматура, фланцы, дробилки и рабочие колеса насосов.

Популярный сорт белого чугуна — белые чугуны с высоким содержанием хрома, ASTM A532. Он содержит никель и хром для применения с низким уровнем ударной абразивности [4].

Ковкий чугун

Ковкий чугун получают путем термообработки белого чугуна с медленным отжигом. Это приводит к превращению углерода в форме карбида железа в белом чугуне в графит, а остальная матрица состоит из феррита или перлита [1]. Графит имеет сферическую или узловатую форму.

Ковкий чугун обладает хорошей пластичностью и пластичностью. Из-за более низкого содержания кремния по сравнению с другими чугунами он демонстрирует хорошую вязкость разрушения при низкой температуре.

Применение ковкого чугуна

Благодаря хорошему пределу прочности на разрыв и пластичности ковкий чугун используется для изготовления электрической арматуры и оборудования, ручных инструментов, трубопроводной арматуры, шайб, кронштейнов, сельскохозяйственного оборудования, оборудования для горнодобывающей промышленности и деталей машин.

Общая классификация ковкого чугуна — ASTM A47.

Ковкий чугун

Ковкий чугун, также известный как чугун с шаровидным графитом и чугун с шаровидным графитом, характеризуется наличием графита в форме сферических утолщений, как и в ковком чугуне. В отличие от ковкого чугуна, ковкий чугун образуется не путем термообработки белого чугуна, а благодаря определенному химическому составу.

Ковкий чугун содержит 3,2–3,6 мас.% Углерода, 2,2–2,8 мас.% Кремния и 0,1–0,2 мас.% Марганца, а также меньшее количество магния, фосфора, серы и медь.Присутствие марганца определяет сферическую форму включений графита [4].

Применение высокопрочного чугуна

Благодаря своей микроструктуре этот материал более пластичен, чем серый или белый чугун. По этой причине он используется как труба из высокопрочного чугуна для водоснабжения и канализации. Он также может выдерживать термоциклирование и поэтому используется в зубчатых передачах и компонентах подвески транспортных средств, тормозах и клапанах, насосах и гидравлических частях, а также в корпусах ветряных турбин.

Ковкий чугун обычно классифицируется как ASTM A536.

Производство и обработка

Для производства чугуна железо должно быть извлечено из железной руды. Руда выплавляется в доменной печи, где она разделяется на чугун и шлак. Печь нагревается примерно до 1800 градусов Цельсия в атмосфере кислорода, и образующийся шлак поднимается вверх и может быть удален.

Расплавленный чугун, представленный ниже, содержит от 3 до 5 мас.% Углерода. Затем он комбинируется с железом, сталью, коксом и известняком.

После селективного удаления примесей из этого железа содержание углерода снижается. На этом этапе может быть добавлен кремний для преобразования содержания углерода в графит или цементит. Затем железо отливают в различные формы.

[1] Р. Эллиотт, Технология чугуна. Баттервортс, 1988, стр. 1

[2] «Чугун против литой стали», Reliance Foundry, май. 17, 2017. [Онлайн]. [Доступ: 8 октября 2018 г.].

[3] С. К. Сарна, «Коррозия чугунов», ispatguru.com, июн.28, 2016. [Online]. [Доступ: 8 октября 2018 г.].

[4] С. К. Сарна, «Применение чугуна, чугунных отливок, сделанных в Китае», Reliance Foundry. [В сети]. [Доступ: 9 октября 2018 г.].

Сплав чугуна

Термин «чугун» описывает большое семейство сплавов черных металлов. Он содержит 2-4% углерода, вместе с кремнием, марганцем. Чугуны производятся заданной формы для обработки механической обработкой, термообработкой или сборкой. Иногда для удовлетворения определенных требований его можно выковать или прокатить.Чугун получают путем плавления чугуна и последующего соединения его со сталью или железным ломом.

• Кремний: Кремний до 6%
• Duriron: Кремний до 12%

Вы можете приобрести чугун различных товарных марок, например серый чугун, закаленный чугун, крапчатый чугун, белый чугун, ковкий чугун, высокопрочный чугун, чугун с шаровидным графитом, чугун с шаровидным графитом и аустенитный чугун.

Чугун получают путем плавки передельного чугуна. Часто эта плавка осуществляется вместе со стальным и железным ломом. Он также включает в себя ряд этапов, которые приводят к удалению нежелательных элементов (фосфора и серы).

• Основная цель этой обработки — снизить содержание углерода и кремния до желаемого уровня. Затем происходит добавление в расплав других элементов.
• Небольшая доменная печь, известная как вагранка, используется для плавки железа.
• После завершения плавки расплавленный чугун удаляется из копилки доменной печи.
• Окончательная форма изготовлена ​​методом литья.

Типы чугунов Во время затвердевания основная часть углерода выпадает в виде графита или цементита. Когда затвердевание только что завершено, осажденная фаза погружается в матрицу из аустенита, которая имеет равновесную концентрацию углерода около 2 мас.%.При дальнейшем охлаждении концентрация углерода в аустените уменьшается по мере того, как из твердого раствора выпадает больше цементита или графита. В случае обычного чугуна аустенит затем разлагается на перлит при температуре эвтектоида. Однако в серых чугунах, если скорость охлаждения за счет температуры эвтектоида достаточно мала, то получается полностью ферритная матрица с отложением избыточного углерода на уже существующем графите.

• Белый чугун: Белый чугун трудно поддается механической обработке, поскольку он твердый и хрупкий.
Серый чугун
• : из-за наличия микроструктуры графита в матрице из преобразованного аустенита и цементита, серый чугун более мягкий.
• Чугун с шаровидным графитом: химический состав чугуна аналогичен составу серого чугуна, но с содержанием магния 0,05 мас.%.
• Ковкий чугун: один из самых популярных сплавов, используемых при литье. Он имеет широкое применение, включая автомобильные компоненты, промышленное оборудование, производство электроэнергии ветряными турбинами, клапаны, оборудование для кондиционирования воздуха, садовое и газонное оборудование, а также сельскохозяйственную продукцию.
• Чугун с шаровидным графитом: Чугун с шаровидным графитом известен своей превосходной вязкостью и имеет широкое применение, например коленчатые валы.

Отливки из чугуна Сплавы чугуна широко используются в литейных изделиях из-за их характеристик, таких как прочность, хорошее соотношение прочности и веса, экономичная цена и доступность в изобилии, способность производить сложные геометрические формы. Отливки из чугуна используются в различных областях, таких как автомобилестроение, сельское хозяйство, бытовая техника и т. Д.

• Семейство материалов, пригодных для различных инженерных и производственных приложений («семейство» включает серый чугун, высокопрочный чугун, чугун с компактным графитом, ковкий чугун и белый чугун).
• Возможность литья со вставками из других материалов.
• Способность изготавливать изделия очень сложной геометрии и профили различных размеров.
• Возможность отливки сложных форм, а также сечения от очень тонких до очень толстых.
• Хорошее соотношение прочности и веса.
• В целом экономичнее, чем материалы конкурентов, и относительно невысокая стоимость единицы прочности по сравнению с другими материалами.
• Превосходная демпфирующая способность, особенно для серого чугуна.
• Возможность изменения конструкции и объединения двух или более деталей из других материалов в единую отливку, тем самым сокращая время и стоимость сборки.
• Различные типы процессов литья для низкой, средней и высокой производительности.
• Различные отливки из чугуна могут использоваться без термической обработки (как отливки), однако, при необходимости, они могут быть подвергнуты термообработке для улучшения общих свойств или определенных свойств, таких как твердость поверхности.

Чугун | Конструкция машины

К чугунам относятся многие металлы, обладающие широким спектром свойств. Хотя чугун часто считается простым металлом для производства и определения характеристик, металлургия чугуна более сложна, чем металлургия стали и большинства других металлов.

И стали, и чугуны в основном состоят из железа с углеродом в качестве основного легирующего элемента. Стали содержат менее 2 и обычно менее 1% углерода; все чугуны содержат более 2% углерода. Два процента — это максимальное содержание углерода, при котором железо может затвердеть как однофазный сплав со всем углеродным раствором в аустените. Таким образом, чугуны по определению затвердевают как гетерогенные сплавы и всегда имеют более одного компонента в своей микроструктуре. Помимо углерода, чугуны также должны содержать кремний, обычно от 1 до 3%; таким образом, они на самом деле представляют собой сплавы железо-углерод-кремний.

Высокое содержание углерода и кремния в чугунах придают им отличную литейную способность. Их температуры плавления заметно ниже, чем у стали. Расплавленное железо более жидкое, чем расплавленная сталь, и менее реагирует с формовочными материалами. Образование графита более низкой плотности во время затвердевания делает возможным изготовление изделий сложной формы. Однако чугуны не обладают достаточной пластичностью для прокатки или ковки.

Содержание углерода в железе является ключом к его отличительным свойствам.Осаждение углерода (в виде графита) во время затвердевания противодействует нормальной усадке затвердевающего металла, создавая прочные сечения. Графит также обеспечивает отличную обрабатываемость (даже при износостойких уровнях твердости), гасит вибрацию и способствует смазке изнашиваемых поверхностей (даже в пограничных условиях смазки). Когда большая часть углерода остается в сочетании с железом (как в белом чугуне), присутствие твердых карбидов железа обеспечивает хорошую стойкость к истиранию.

В некоторых случаях микроструктура железа может быть полностью ферритной — той же составляющей, которая делает низкоуглеродистые стали мягкими и легко обрабатываемыми.Но феррит железа отличается, потому что он содержит достаточно растворенного кремния, чтобы устранить характерную липкую природу низкоуглеродистой стали. Таким образом, чугуны, содержащие феррит, не требуют добавок серы или свинца для беспрепятственной обработки.

Поскольку размер и форма отливки определяют скорость ее затвердевания и прочность, при выборе типа чугуна необходимо учитывать конструкцию отливки и соответствующий процесс литья. В то время как большинство других металлов определяется стандартным химическим анализом, один анализ чугуна может дать несколько совершенно разных типов чугуна, в зависимости от литейной практики, формы и размера отливки, все из которых влияют на скорость охлаждения.Таким образом, железо обычно определяется механическими свойствами. Однако для приложений, связанных с высокими температурами или требующих особой коррозионной стойкости, также могут быть указаны некоторые требования к анализу.

Изготовление моделей больше не является необходимым этапом при производстве чугунных деталей. Многие детали из серого, пластичного и легированного чугуна могут быть обработаны непосредственно из прутка, непрерывно разливаемого до почти чистой формы. Этот метод «детали без рисунка» не только экономит время и затраты на изготовление рисунка, непрерывный чугун также обеспечивает однородно плотную мелкозернистую структуру, по существу свободную от пористости, песка или других включений.Ключи к однородной микроструктуре металла — это ферростатическое давление и контролируемая температура затвердевания, которые являются уникальными для данного процесса.

Для каждого основного типа чугуна существует ряд марок с сильно различающимися механическими свойствами. Эти отклонения вызваны различиями в микроструктуре металла, окружающего графит (или карбидов железа). В одной отливке могут существовать две разные конструкции. Микроструктуру чугуна можно контролировать с помощью термической обработки, но после образования графита он остается.

Марки перлитного чугуна состоят из чередующихся слоев мягкого феррита и твердого карбида железа. Эта слоистая структура, называемая перлитом, является прочной и износостойкой, но при этом вполне поддается механической обработке. По мере того, как слои становятся более тонкими, твердость и прочность чугуна увеличиваются. Размер ламинирования можно регулировать термической обработкой или скоростью охлаждения.

Чугун, закаленный пламенем, индукционной закалкой или нагретый в печи с последующей закалкой в ​​масле, содержит мартенситную структуру.После отпуска эта структура обеспечивает обрабатываемость с максимальной прочностью и хорошей износостойкостью.

Методы спецификации: Спецификации ASTM для чугунных отливок основаны на методе, отличном от метода SAE. Спецификации ASTM обозначают свойства металла, которые должны быть получены в отдельном литом испытательном бруске соответствующего размера, который разливают в тех же условиях, что и отливки. Спецификации SAE, с другой стороны, требуют, чтобы микроструктура отливки соответствовала указанной марке металла и чтобы твердость каждой отливки в указанном месте находилась в указанном диапазоне.

С коммерческой точки зрения, спецификация ASTM чаще используется для общих инженерных приложений, когда прочность железа, необходимая для детали, была установлена. Спецификации SAE обычно используются для больших количеств литых деталей меньшего размера, например, используемых в автомобилях, а также в сельскохозяйственном и холодильном оборудовании. В этих случаях пригодность чугуна определенной марки устанавливается не только по конструктивным соображениям, но и по фактическим эксплуатационным испытаниям; цель спецификации — гарантировать единообразный продукт, сопоставимый с продуктом, признанным на опыте удовлетворительным.

Серый чугун: Это перенасыщенный раствор углерода в железной матрице. Избыток углерода выпадает в виде чешуек графита. Серый чугун обозначается двузначным обозначением; Класс 20, например, определяет минимальную прочность на разрыв 20 000 фунтов на квадратный дюйм. Кроме того, серый чугун определяется поперечным сечением и минимальной прочностью специального испытательного стержня. Обычно поперечное сечение испытательного стержня соответствует или относится к особенно критическому участку отливки.Эта вторая спецификация необходима, потому что прочность серого чугуна очень чувствительна к поперечному сечению (чем меньше поперечное сечение, тем выше скорость охлаждения и выше прочность).

Ударная вязкость серого чугуна ниже, чем у большинства других литых черных металлов. Кроме того, у серого чугуна нет четкого предела текучести (как определено классическими формулами), и его не следует использовать, когда перманентная пластическая деформация предпочтительнее разрушения. Еще одна важная характеристика серого чугуна, особенно для высокоточного оборудования, — это его способность гасить вибрацию.Демпфирующая способность определяется в основном количеством и типом чешуек графита. По мере уменьшения графита демпфирующая способность также уменьшается.

Высокая прочность на сжатие серого чугуна — от трех до пяти раз превышающая предел прочности — может быть использована в определенных ситуациях. Например, размещение ребер на стороне сжатия пластины вместо стороны растяжения дает более прочный и легкий компонент.

Серый чугун обладает отличной износостойкостью. Даже более мягкие марки хорошо работают в определенных пограничных условиях смазки (например, в верхних стенках цилиндров двигателей внутреннего сгорания).

Для повышения твердости серого чугуна при абразивном износе можно добавлять легирующие элементы, использовать специальные методы литья или термообработку чугуна. Серый чугун можно закалить пламенным или индукционным методами, или литейный цех может использовать охлаждение в форме для получения закаленных поверхностей из белого чугуна.

Типичные области применения серого чугуна включают автомобильные блоки двигателей, шестерни, маховики, тормозные диски и барабаны, а также основания машин. Серый чугун хорошо используется в машиностроении из-за его хорошей усталостной прочности.

Ковкий чугун: Ковкое железо с шаровидным графитом содержит следовые количества магния, который, реагируя с серой и кислородом в расплавленном чугуне, выделяет углерод в виде небольших сфер. Эти сферы улучшают жесткость, прочность и ударопрочность высокопрочного чугуна по сравнению с серым чугуном. Различные сорта производятся путем контроля структуры матрицы вокруг графита, как в отливке, так и путем последующей термообработки.

Для обозначения ковкого чугуна используется трехкомпонентная система обозначений.Обозначение типичного сплава, например, 60-40-18, указывает минимальный предел прочности на разрыв 60000 фунтов на квадратный дюйм, минимальный предел текучести 40000 фунтов на квадратный дюйм и 18% удлинение при 2 дюймах

Ковкий чугун используется в таких устройствах, как коленчатые валы, из-за его хорошей обрабатываемости, усталостной прочности и высокого модуля упругости; в зубчатых передачах для тяжелых условий эксплуатации из-за высокого предела текучести и износостойкости; и в дверных петлях автомобилей из-за их пластичности. Поскольку ковкий чугун содержит в качестве дополнительного легирующего элемента магний, он прочнее и устойчивее к ударам, чем серый чугун.Но хотя ковкий чугун также имеет более высокий модуль упругости, его демпфирующая способность и теплопроводность ниже, чем у серого чугуна.

По весу отливки из высокопрочного чугуна дороже серого чугуна. Однако, поскольку они обладают более высокой прочностью и лучшей ударопрочностью, общая стоимость деталей может быть примерно такой же.

Хотя это не новая технология обработки ковкого чугуна, за последние 5-10 лет она стала все более известной инженерному сообществу.В результате аустализа не образуется такой же тип структуры, как у стали, из-за высокого содержания углерода и кремния в железе. Матричная структура ковкого чугуна после закалки (ADI) отличает его от других чугунов, делая его действительно отдельным классом технических материалов.

Что касается свойств, матрица ADI почти вдвое превосходит обычный ковкий чугун, сохраняя при этом превосходную вязкость. Как и высокопрочный чугун, ADI не является одним материалом; скорее, это семейство материалов, имеющих различные комбинации прочности, ударной вязкости и износостойкости.К сожалению, отсутствие стандартной спецификации для материалов ограничило его широкое признание и использование. Чтобы помочь устранить эту проблему, Общество ковкого чугуна предложило характеристики свойств для четырех марок ковкого чугуна после закалки.

В настоящее время ADI применяется в транспортном оборудовании — автомобилях, грузовиках, а также в железнодорожных и военных транспортных средствах. Ожидается, что такие же улучшенные характеристики и экономия средств сделают эти материалы привлекательными в оборудовании для других отраслей, таких как горнодобывающая промышленность, землеройные работы, сельское хозяйство, строительство и станкостроение.

Белый чугун: Белый чугун получают путем «охлаждения» выбранных участков отливки в кристаллизаторе, что предотвращает осаждение графитового углерода. И серый, и ковкий чугун можно охладить, чтобы получить поверхность из белого чугуна, состоящего из карбида железа или цементита, который является твердым и хрупким. Однако в отливках, которые полностью выполнены из белого чугуна, состав железа выбирается в соответствии с размером детали, чтобы гарантировать, что объем вовлеченного металла может затвердеть достаточно быстро, чтобы создать структуру белого чугуна.

Главный недостаток белого чугуна — его хрупкость. Это можно несколько уменьшить, уменьшив содержание углерода или полностью сняв напряжение в отливке для придания сфероидальности карбидам в матрице. Однако эти меры увеличивают стоимость и снижают твердость.

Chills позволяют производить отливки с рабочими поверхностями и сердечниками из белого чугуна, которые представляют собой более твердый и более легкий в обработке серый или высокопрочный чугун. Во время охлаждения та часть отливки, которая должна сопротивляться износу, охлаждается металлическим или графитовым теплоотводом (охлаждающим элементом) в кристаллизаторе.Когда расплавленное железо контактирует с холодом, оно затвердевает так быстро, что железо и углерод не могут диссоциировать.

Охлаждение не следует путать с закалкой при термической обработке, в которой задействован совершенно другой металлургический механизм. Белое железо, так называемое из-за его очень белого излома, может образовываться только во время затвердевания. Он не размягчается, кроме как при длительном отжиге, и сохраняет свою твердость даже при температуре выше 1000 ° F.

Белый чугун используется в основном для применений, требующих устойчивости к износу и истиранию, таких как футеровка мельниц и сопла для дробеструйной обработки.Другие применения включают железнодорожные тормозные колодки, валки прокатных станов, оборудование для смешивания глины и производства кирпича, а также дробилки и измельчители. Как правило, белый (нелегированный) белый чугун стоит дешевле, чем другие чугуны.

Чугун с компактным графитом: До недавнего времени железо с компактным графитом (CGI), также известное как вермикулярное железо, было в первую очередь лабораторной диковинкой. Он давно известен как промежуточное звено между серым чугуном и высокопрочным чугуном, он обладает многими полезными свойствами каждого из них. Однако из-за трудностей с контролем процесса и необходимости держать добавки сплава в очень жестких пределах, CGI было чрезвычайно трудно успешно производить в промышленных масштабах.Например, если добавление магния изменилось всего на 0,005%, результаты были бы неудовлетворительными.

Проблемы обработки были решены совместными усилиями разработчиков Foote Mineral Co. и Британской ассоциации исследований чугуна. Пакет с легирующими добавками содержит основные легирующие ингредиенты — магний, титан и редкоземельные элементы — в точно правильных пропорциях.

Прочность деталей CGI приближается к прочности высокопрочного чугуна. CGI также обладает высокой теплопроводностью, а его демпфирующая способность почти такая же, как у серого чугуна; Сопротивление усталости и пластичность аналогичны свойствам высокопрочного чугуна.Обрабатываемость превосходит чугун с шаровидным графитом, а выход отливок высок, поскольку характеристики усадки и подачи больше похожи на характеристики серого чугуна.

Сочетание высокой прочности и высокой теплопроводности предполагает использование CGI в блоках двигателей, тормозных барабанах и выпускных коллекторах автомобилей. Зубчатые пластины CGI заменили алюминий в шестеренчатых насосах высокого давления из-за способности железа сохранять стабильность размеров при давлении выше 1500 фунтов на квадратный дюйм.

Ковкий чугун: Ковкий чугун — это белый чугун, который путем двухэтапной термообработки был преобразован в состояние, в котором большая часть углерода содержится в виде графитовых узелков неправильной формы, называемых темперированным углеродом.Полученные свойства противоположны свойствам белого железа, из которого оно получено. Вместо того, чтобы быть твердым и хрупким, он податлив и легко обрабатывается. Отливки из ковкого чугуна обычно стоят немного дешевле, чем отливки из ковкого чугуна.

Три основных типа ковкого чугуна: ферритный, перлитный и мартенситный. Ферритные сорта более поддаются механической обработке и пластичны, тогда как перлитные сорта прочнее и тверже. Обычно мартенситные марки группируются с перлитными материалами; их можно рассматривать как продолжение (в конце диапазона более высокой прочности) перлитного ковкого чугуна.

В отличие от ферритного ковкого чугуна, микроструктура которого не содержит связанного углерода, перлитное ковкое железо содержит от 0,3 до 0,9% углерода в комбинированной форме. Поскольку этот компонент может быть легко преобразован в самую твердую форму комбинированного углерода путем простого нагрева и закалки, отливки из перлитного ковкого чугуна могут быть выборочно упрочнены. Глубина затвердевания контролируется скоростью подводимого тепла, временем выдержки при температуре и скоростью закалки. Термическая обработка может обеспечить твердость поверхности примерно до C 60 по Роквеллу.

Углерод в ковком чугуне помогает удерживать и хранить смазочные материалы. В условиях экстремального износа поверхность перлитного ковкого чугуна изнашивается на безвредные частицы микронного размера, которые менее опасны, чем частицы железа других типов. Поверхность пористого ковкого чугуна улавливает абразивные частицы, которые скапливаются между поверхностями подшипников. На ковком чугуне могут образовываться полосы желчного пузыря, но истирание обычно не прогрессирует.

Отливки из ковкого чугуна часто используются для изготовления тяжелых опорных поверхностей в автомобилях, грузовиках, железнодорожном подвижном составе, а также в сельскохозяйственной и строительной технике.Марки перлитного класса обладают высокой износостойкостью и имеют твердость от 152 до более 300 Bhn. Однако применение ограничено отливками с относительно тонкими сечениями из-за высокой степени усадки и необходимости быстрого охлаждения для производства белого чугуна.

Высоколегированные чугуны: Высоколегированные чугуны — это ковкие, серые или белые чугуны, содержащие от 3 до более 30% сплава. Свойства специализированных литейных производств существенно отличаются от свойств нелегированных чугунов. Эти утюги обычно отличаются химическим составом, а также различными механическими свойствами.

Белые высоколегированные чугуны, содержащие никель и хром, образуют микроструктуру с мартенситной матрицей вокруг первичных карбидов хрома. Эта структура обеспечивает высокую твердость при экстремальной износостойкости и стойкости к истиранию. Чугуны с высоким содержанием хрома (обычно около 16%) сочетают износостойкость и стойкость к окислению с прочностью. Утюги, содержащие от 14 до 24% никеля, являются аустенитными; они обеспечивают отличную коррозионную стойкость для немагнитных применений. Чугуны с содержанием никеля 35% имеют чрезвычайно низкий коэффициент теплового расширения, а также немагнитны и устойчивы к коррозии.

Справочник по сварке чугуна

узловой Утюг.Чугун с шаровидным графитом, иногда называется ковкий чугун, обладает многими свойствами ковкое железо.