Чугуны, их свойства и области применения

         Сплав железа с углеродом(>2,14%С) называется чугуном. Присутствие эвтектики в структуре чугуна обуславливает его использование исключительно в качестве литейного сплава. Углерод в чугуне может находиться в виде цемента или графита. Цементит придает излому специфический белый светлый блеск, поэтому чугун называется белым. Графит придает излому чугуна серый цвет. В зависимости от формы графита и условий его образования различают следующие группы чугунов: серый, высокопрочный с шаровидным графитом и ковкой.

Структура и свойства чугунов

В микроструктуре чугуна следует различать металлическую основу и графитные включения.

В зависимости от углерода, связанного в цементит, различают несколько видов чугунов:

Белый Чугун – весь углерод находится в виде Fe3C. Структура чугуна – перлит и  ледебурит.

Половинчатый чугун – большая часть углерода (свыше 0,8%) находится в виде Fe3C.

Структура чугуна – перлит, ледебурит и пластичный графит.

Перлитный  серый чугун. Структура – перлит и пластинчатый графит.

В том чугуне 0,7 — 08%углерода, и он находится в виде Fe3C, входящего в состав перлита.

Ферритно-перлитный серый чугун. Структура —  перлит, феррит и  пластичный графит. В этом чугуне в зависимости от степени распада эвтектоидного цементита в связанном состоянии находится от 0,7 до 0,1% С.

Ферритный серый чугун. Структура – феррит и пластичный графит. В этом случае весь углерод находится в виде графита.

Из структуры серых чугунов видно, что их металлическая основа похожа на структуру эвтектоидной  стали, доэвтиктоидной стали и железа. Следовательно, по структуре чугуны отличаются от стали тем, что в чугунах имеются графитовые включения, что предопределяет их специфические свойства.

Металлическая основа в серых чугунах обеспечивает наибольшую прочность и износостойкость, если она имеет перлитную структуру. Присутствие в структуре феррита, не увеличивая пластичности и вязкости чугуна, снижает его прочность и износостойкость. Наименьшей прочностью обладает ферритный серый чугун.

 Графит в чугунах может быть следующих основных форм.

Пластичный графит. В обычном чугуне графит образуется в виде прожилок лепестков; такой графит называется пластичным.

Шаровидный графит. В высокопрочных чугунах, выплавленных с присадкой небольшого количества магния, графит преобразуется в шаровидную форму.

Вермикулярный графит. Пластичная форма графита ухудшает свойства чугуна, поэтому разработаны методы плавки или последующей обработки, при которых изменяется, форма графита и улучшаются свойства чугуна. В настоящее время получают серый чугун с волокнистой (червеобразной) формой графита. Такой графит получил название вермикулярного.

Хлопьевидный графит. Если при отливке получить белый чугун, а затем, используя неустойчивость, цементита, путем отжига его разложить, то образующийся графит приобретает равновесную форму. Такой графит наз. хлопьевидным или углеродом отжига. На практике чугуны с хлопьевидным графитом называют ковким чугуном.

Таким образом, чугун с пластинчатым графитом называют обычным серым чугуном, чугун с шаровидным и вермикулярным графитом – высокопрочным чугуном, чугун с хлопьевидным графитом – ковким чугуном.

Влияние примесей

Обычный промышленный чугун не  является двойным железоуглеродистым сплавом, а содержит те же примеси, что и углеродистые стали. Эти примеси существенно влияют главным образом на условия графитизации и, следовательно, на структуру  и свойства чугуна.

Количество марганца в чугуне не превышает 1,25-1,4%. Марганец препятствует процессу графитизации, то есть затрудняет выделение графита и повышает способность чугуна к отбеливанию.

Сера – вредная примесь, ухудшающая механические и литейные свойства чугуна, поэтому ее содержание ограничивают до 0,1-0,12%. В сером чугуне сера образует сульфиды (FeS, MnS) или их твердые растворы (FeS, Mn) S.

Содержание фосфора в сером чугуне – около 0,2%, допускается иногда – 0,5%. При повышенном содержании фосфора в структуре чугуна образуются твердые включения фосфидной эвтектики. Образование эвтектики улучшает литейные свойства чугуна (повышает жидкотекучесть), повышает общую твердость и износостойкость, однако увеличивает хрупкость чугуна.

Кремний – особенно сильно влияет на структуру чугуна, усиливая графитизацию. Содержание кремния в чугунах колеблется в широких пределах – от 0,03-0,5до 3-5%. Изменяя содержание кремния, можно получить чугуны, совершенно различные по свойствам и структуре: от белого до ферритного (серого с пластинчатым графитом  или высокопрочного с шаровидным графитом).

Кроме  этих постоянных примесей в чугун часто вводят и другие элементы. Такие чугуны называются легированными.

Преимущественно чугун легируют хромом, никелем, медью, алюминием, титаном. Хромом препятствует графитизации чугуна, а медь и никель способствуют ей.

Серые чугуны

В  структуре серых чугунов большая часть или весь углерод находится в виде графита. Наибольшее применение нашли доэвтектические группы, содержащие 2,4-3,8% С. Чем выше содержание С, тем больше образуется графита и тем ниже содержание С, тем больше образуется графита и тем ниже его механические свойства. В связи с этим количество углерода в чугуне обычно не превышает (хорошей жидкотекучести) углерода должно быть не меньше 2,4%.

Поскольку структура чугуна состоит из металлической основы и графита, то и свойства чугуна будут зависеть от свойств металлической основы и количества и характера графитных включений.

Графит по сравнению со сталью обладает ничтожно низкими механическими свойствами, и поэтому графитные включения можно считать в первом приближении просто за пустоты, трещины. Отсюда следует, что чугун можно рассматривать как сталь, но испещренную большим количеством пустот  и трещин.

Чем больше объема занимают эти пустоты, тем ниже будут свойства чугуна. При  одинаковом объеме пустот, то есть количестве графита, свойства чугуна будут зависеть от его формы и расположения.

Чем меньше графитовых включений, чем они мельче и больше степень изолированности их друг от друга, тем выше прочность чугуна. Чугун с мелкими и завихренными графитными включениями обладает более высокими свойствами.

Разрушающая нагрузка при сжатии в зависимости от структуры чугуна в 3-5 раз больше, чем при растяжении, поэтому нужно использовать для изделий, работающих на сжатие.

Пластинки графита менее значительно, чем при  растяжении, снижают прочность при изгибе, так как часть изделия при этом испытывает сжимающие напряжения. Предел прочности при изгибе имеет промежуточное значение между пределом прочности на растяжение и пределом прочности на сжатие.

Твердость чугуна в зависимости от металлической основы равна 143-255 НВ.

Сказанное относится главным образом к серому чугуну с пластинчатыми включениями графита. По мере округления графитных включений их данное отрицательное влияние уменьшается.

Округлые включения шаровидного графита не создают резкой концентрации напряжений; такие включения не являются трещинами, и чугун с шаровидным графитом показывает значительно более высокую прочность при растяжении и изгибе, чем чугун с пластинчатым графитом. Отсюда и название чугуна с шаровидным графитом – высокопрочный чугун. Ковкий чугун с хлопьевидным графитом занимает промежуточное положение по прочности между обычным серым и высокопрочным чугуном.

Таким образом, прочность чугуна (в отношении нормальных напряжений) определяется строением металлической основы и формой графитных включений.

Благодаря наличию графита чугун имеет некоторые преимущества перед сталью:

— наличие графита облегчает обрабатываемость резанием, делает стружку ломкой;

— графит повышает износостойкость и антифрикционные свойства чугуна вследствие собственного «смазывающего» действия и повышения прочности пленки смазки;

 — наличие графитных включений быстро гасит вибрации и резонансные колебания;

— чугун почти не чувствителен к дефектам поверхности, надрезам и т.д. Графит, нарушая оплошность металлической основы, делает чугун малочувствительным ко всевозможным внешним концентраторам напряжений (дефектам поверхности, надрезам, выточкам и т.д.). Вследствие этого серый чугун имеет примерно одинаковую конструктивную прочность и в отливках простой формы или с ровной поверхностью, и в отливках сложной формы с надрезом или плохо обработанной поверхностью;

— следует также указать на превосходство чугуна перед сталью по литейным свойствам. Более низкая температура плавления и окончание кристаллизации при постоянной температуре (образование эвтектики) обеспечивают лучшую жидкотекучесть и заполняемость формы.

Указанные достоинства чугуна делают его ценными конструкционным материалом, широко применяемым для изготовления деталей машин, главным образом тогда, когда детали не испытывают значительных растягивающих и ударных нагрузок.

Серый чугун маркируется буквами С (серый) и Ч (чугун). После букв следуют цифры, указывающие среднее значение временного сопротивления при растяжении.

Серые чугуны по свойствам и применению можно разделить на следующие группы.

Ферритные и ферритно-перлитные чугуны (СЧ10,СЧ15) имеют при растяжении Qв 10-15 кгс\мм2 (100-150МПа), при изгибе – 28-32 кгс/мм2(280-320 МПа). Их примерный состав: 3,5-3,7%С; 2,0-2,6%Si;0,5-0,8% Mn; <=0,3% Р;<=0,15% S. Структура чугуна – перлит, феррит и графит  грубый и средних размеров. Эти чугуны применяют для изготовления малоответственных деталей, испытывающих небольшие нагрузки в работе с толщиной стенки отливки 10-30мм.Так,чугун СЧ10 используют для изготовления строительных колон, фундаментных плит, а чугуны СЧ15 и СЧ18 – для литых малонагруженных деталей станков, автомобилей и тракторов, арматуры.

Перлитные чугуны (СЧ21, СЧ32, СЧ36, СЧ40) применяют для отливки  станин мощных станков и механизмов, поршней цилиндров, деталей, работающих на износ в условиях больших давлений (компрессорное, турбинное литье, дизельные цилиндры, блоки двигателей, детали металлургического оборудования). Структура этих чугунов – мелкопластинчатый перлит (сорбит) с мелкими завихренными графитными включениями. К перлитным чугунам относятся так называемые сталистые и  модифицированные чугуны.

Сталистые чугуны (СЧ24, СЧ28) получают выплавкой с добавлением в шихту 20-30%  стального лома;

Чугуны имеют пониженное содержание углерода, что обеспечивает получение более дисперсной перлитной основы с меньшим количеством графических включений. Содержание кремния в этих чугунах должно быть достаточным для предотвращения возможности отбеливания чугуна.

Модифицированные чугуны (СЧ30, СЧ36, СЧ40, СЧ45) получают добавлением в жидкий чугун перед разливкой специальных модификаторов. Модифицирование применяют для получения в крупных отливках с различной толщиной стенок перлитной основы с вкраплением небольшого количества изолированных пластинок графита средней величины.

Модифицированию подвергают низкоуглеродистый чугун, содержащий небольшое количество кремния и повышенное количество марганца. Примерный состав чугуна до модификаций: половинчатый чугун, то есть ледебурит, перлит и графит (2,8-3,3% С; 1,0-1,5%Si; 0,8-1,2% Mn; не более 0,3%Р и 0,12%S).

Для снятия литейных напряжений и стабилизации размеров чугунные отливки отжигают при 500-700С. В зависимости от формы и размеров отливки выдержка при температуре отжига составляет 3-10ч.

Охлаждение после отжига медленное, вместе с печью. После такой обработки механические свойства изменяются мало, а внутренние нагрузки снижаются на 80-90%. Иногда для снятия напряжений в чугунных отливках применяют естественное старение чугуна – выдержка их на складе в течение 6-10 месяцев. Такая выдержка снижает напряжения на 40-50%.

Антифрикционные чугуны

Антифрикционные чугуны применяют для изготовления подшипников скольжения, втулок и других деталей, работающих при трении о металл, чаще в присутствии смазки. Эти чугуны должны обеспечивать низкое трение, то есть антифрикционность. Антифрикционность определяется формой графита и соотношением перлита и феррита в основе.

Антифрикционные чугуны с глобулярными графитом изготавливают двух марок: АЧВ-1 – с перлитной структурой и АЧВ-2 – с повышенным содержанием кремния и ферритно-перлитной структурой.

АЧВ-1 предназначен для работы в узлах трения с повышенными окружными скоростями в паре с закаленными или нормализованным валом. Чугун АЧВ-2 применяют в паре с нетермообработанным валом.

Перлитный чугун, содержащий повышенное количество фосфора (0,3-0,5%), используют для изготовления поршневых колец. Высокая износостойкость колец обеспечивается металлической основой, состоящей из тонкого перлита и фосфидной эвтектики при наличии пластинчатого графита.

Белый и отбеленные чугуны

Белый чугун вследствие присутствия в нем цементита обладает высокой твердостью, хрупок и не поддается обработке резанием, поэтому имеет  ограниченное применение.

 Отбеленными называются чугуны, в которых поверхностные слои имеют структуру белого (или половинчатого) чугуна, а середина – структуру серого чугуна.

Отбел на некоторую глубину (10-30мм) является следствием быстрого охлаждения поверхности, возникающего в результате отливки чугуна в металлические формы (кокиль) или в песчаную форму.

Высокая твердость поверхности (НВ = 400-500)обуславливает хорошую сопротивляемость износу. Поэтому из отбеленного чугуна изготавливают прокатные валки листовых станов, колёса, шары  для мельниц.

Вследствие различной скорости охлаждения и получения разных структур отливка имеет большие внутренние напряжения, для снятия которых отливки подвергают термообработке, то есть их нагревают при 500-550 С.

Высокопрочные чугуны

Выше говорилось о том, какое большое значение для качества чугунов имеет форма и размер графитных включений.

Степень графитизации зависит от содержания графитизирующих примесей и скорости охлаждения.

Размер и форма графитных включений зависят от этих факторов, а также от наличия в жидком чугуне центров кристаллизации. Наличие большого числа центров кристаллизации в виде различных частичек способствует образованию структуры мелкого графита.

Для этого в жидкий чугун перед разливкой его по формам вводят не большую добавку модификаторов. Чаще для этой цели применяют Mg ( 0,03- 0,07% ). В результате процесса кристаллизации графит принимает шаровидную форму. Шаровидный графит, имеющий минимальную поверхность, значительно меньше ослабляет металлическую основу чугуна, чем пластинчатый. Шаровидный графит не является активным центром концентрации напряжений.

Чугуны с шаровидным графитом имеют более высокие механические свойства, не уступающие литой углеродистой стали, сохраняя при этом хорошие литейные свойства и обрабатываемость резанием, способность гасить вибрации, высокую износостойкость.

Маркируют высокие чугуны буквами ВЧ, затем следуют цифры. Цифры показывают среднее значение временного сопротивления при растяжении ( кгс/мм): чугуны марок ВЧ50, ВЧ60, ВЧ70, ВЧ80, ВЧ100, ВЧ120 имеют перлитную металлическую основу, ВЧ45 –  перлитно-ферритную, ВЧ38, ВЧ42 – ферритную.

Для указания формы графита иногда в маркировке ставят буквы ШГ (шаровидный графит) или ВГ ( вермикулярный графит). Например: ВЧШГ – высокопрочный чугун с шаровидным графитом, ВЧВГ – высокопрочный чугун с вермикулярным графитом.

Для снятия внутренних напряжений, повышения механических свойств чугуны подвергают термообработке.

Отливки из высокопрочных чугунов широко используют в различных отраслях: в автопромышленности и дизелестроении — для изготовления коленчатых валов, крышек цилиндров: в тяжелом машиностроении – для изготовления многих деталей прокатных станов, кузнечнопрессового оборудования ( например, для шабот-Молотов, траверс-прессов, прокатных валов): в химической и нефтехимической промышленности – для изготовления корпусов насосов, вентилей и т.д.

Ковкие чугуны

Ковкими называют чугун с хлопьевидным графитом, который получается из белого чугуна путем специального графитизирующего отжига – томления. Металлическая основа ковкого чугуна –феррит, реже – перлит. Наибольшей пластичностью обладает ферритный ковкий чугун, который применяют в машиностроении.

Химический состав белого чугуна, отжимаемого на ковкий чугун, выбирают в следующих переделах: 2,2-2,8% С; 0,6-1,4% Si; Mn<=0.4%; S<=0,1%; Р<=0,2%

Для ускорения отжига применяют различные меры: чугун модифицируют Алюминием (реже – бромом, висмутом и другими элементами), повышают температуру нагрева чугуна перед разливкой, применяют перед отжигом старение, чаще в процессе нагрева до температуры отжига при 350-400С повышают температуру стадии графитизации, но не выше 1080С.

Ковкий чугун маркируют буквами КЧ и цифрами. Первые две цифры указывают предел прочности при растяжении, вторые – относительное удлинение. Отливки из ковкого чугуна применяют для деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках.

Ферритные чугуны КЧ37-12, КЧ35-10 используют для изготовления деталей, испытывающих высокие статические и динамические нагрузки (картеры, ступицы, крюки, скобы), КЧ30-6, КЧ33-8 –для изготовления менее ответственных деталей(головки, хомутики, гайки, фланцы, муфты).

 Твердость ферритного чугуна НВ = 163.

Перлитные чугуны КЧ50-4, КЧ56-4, КЧ60-3, КЧ63-2 обладают высокой прочностью, умеренной пластичностью и хорошими антифрикционными свойствами; НВ=240-270.

Из перлитного ковкого чугуна изготавливают вилки карданных валов, втулки, муфты, тормозные колодки. Ковкий чугун применяют главным образом для изготовления тонкостенных деталей – в отличие от ВЧ, который используют для деталей большого сечения.

Легированные чугуны

При легировании чугунов применяются те же элементы, что и при легировании стали (хром, никель, медь, титан, молибден и др.). Чугун с повышенным содержанием кремния (свыше 4%) и марганца (свыше2%) относится к легированным чугунам. В зависимости легирования различают низколегированные (с содержанием легирующих элементов до 1-3%), среднелегированные (3-10%) и высоколегированные чугуны (свыше 10%).

Маркировка легированных чугунов начинается с буквы Ч. Последующие буквы показывают наличие легирующих элементов. Цифры обозначают последовательно среднее содержание легирующих элементов в процентах. Буква III означает, что графит в чугуне имеет шаровидную форму.

Все легирующие элементы изменяют как процесс графитизации при эвтическом превращении, так и процесс формирования металлической основы при эвтектоидном превращении. Они увеличивают устойчивость жидкой фазы и аустенита, способствуя большей степени переохлаждения. Вследствие этого кристаллизация и формирование структуры металлической основы происходят в более благоприятных условиях для получения мелкого и среднего графита и более дисперсной основы. Правильно подбирая содержание основных и легирующих элементов, можно получить ферритную, перлитную, сорбитную, трооститную, мартенситную и аустенитную структуры металлической основы при определенных размерах, форме и распределении графита.

По  химическому составу различают несколько групп легированных чугунов: хромистые, кремнистые, алюминиевые, марганцевые и никелевые, а по условиям эксплуатации – жаростойкие, жаропрочные износостойкие, коррозиестойкие и немагнитные. При этом один и тот же легирующий элемент придает чугуну одновременно несколько специальных свойств.

Хромистые  чугуны применяют главным образом как жаростойкие, коррозиестойкие  и износостойкие материалы. Износостойкость чугуна определяется его структурой и твердостью, большая часть высокохромистых чугунов успешно работает в условиях ударного абразивного изнашивания и истирания.

Кремнистстые чугуны применяют главным образом как окалино- и коррозиестойкие материалы. Механические свойства кремнистых чугунов относительно низкие как при нормальных так и при повышенных температурах и понижаются с увеличением содержания кремния. С целью повышения механических свойств, кремнистые чугуны иногда легируют медью.

Литейные свойства низкокремнистых чугунов мало отличаются от свойства СЧ и ВЧШГ.

Алюминиевые чугуны применяют как жаростойкие и износостойкие материалы. Увеличение содержания АI до 12% приводит к непрерывному снижению прочности, которая в дальнейшем стабилизируется. Максимальную твердость имеют чугуны, содержащие 10-17% АI и свыше 26% АI. Наиболее технологичным является чугун, содержащий 19-25% АI(ЧЮ22), причем чугун с шаровидным графитом обладает повышенной прочностью и жаропрочностью.

Марганцевые чугуны применяют как немагнитные и износостойкие материалы. В марганцевых антифрикционных чугунах, как и в высоконикелевых, медленное охлаждение и отпуск способствуют выпадению большого количества карбидов и снижению легированности аустенита. В структуре антифрикционных марганцевых чугунов содержится 45-55% аустенита и 10-30% карбидов – в литом состоянии; 80-90% аустенита и 5-8%карбидов – после закалки. Именно поэтому твердость чугуна в незакаленном состоянии бывает выше, чем в закаленном (1800-2900 и 1400-1800МПа соответственно).

Никелевые чугуны –немагнитные, коррозиестойкие, жаропрочные и хладостойкие материалы. Прочность и твердость никелевых чугунов возрастает с увеличением содержания Ni, Cr. Аустенитный  чугун с ШГ обладает высокой жаропрочностью. Дополнительное легирование повышает жаропрочность. Чугун ЧН20ДГ является жаропрочным и хладостойким материалом.

Термообработка чугунов

Термическую обработку чугунов проводят с целью снятия внутренних напряжений, возникающих при литье и  вызывающих с течением времени изменения размеров и формы отливки, снижение твердости и улучшение обрабатываемости резанием, повышение механических свойств.

Различают несколько видов отжига чугунов.

1. Ожиг для снятия внутренних напряжений. Этому виду отжига подвергают чугуны при следующих температурах: серый чугун с пластинчатым графитом – при 55-570С; высокопрочный чугун с шаровидными графитом – при 550-650С; высоколегированный чугун (типа «кирезитс») –при 620-650 С. Скорость нагрева составляет примерно 70-100 град/ч, выдержка при температуре нагрева зависит от массы и конструкции от ливки и составляет от 1 до 8ч.

Охлаждение до 200 С медленное, со скоростью 20-50град/ч, что достигает охлаждением отливки вместе  с печью. Далее отливки охлаждаются на воздухе.

При этом отжиге не происходит фазовых превращений, снимаются внутренние напряжения, повышается вязкость, исключается коробление и образование трещин в процессе эксплуатации.

2. Смягчающий отжиг (отжиг графитизирующий низкотемпературный) проводят для улучшения обрабатываемости резанием и повышения пластичности. Его осуществляют продолжительность выдержкой при 680-700С(ниже точки Ас1) или медленным охлаждением отливок при 760-700С. Время выдержки должно быть достаточным для полного и требуемого частичного распада эвтектоидного цементита (для серых чугунов время выдержки 1-4ч, для ковких – до 60ч). Охлаждение медленное для деталей сложной конфигурации.

В результате этого отжига в структуре чугунов увеличивается количество феррита.

 3. Отжиг графитизирующий, в результате которого из белого чугуна получают ковкий чугун.

4.Нрмализация (серого и ковкого чугуна) при температуре 850-950С.

Время выдержки должно быть достаточным для насыщения аустенита углеродом и в зависимости от конфигурации изделий составляет от 1 до 3ч.

 Охлаждение ускоренное, чтобы аустенит смог превратиться в перлит, и чаще всего осуществляется на воздухе. Для деталей сложной формы охлаждение с температуры 600-550С должно быть замедленное, чтобы уменьшить величину термических напряжений.

В результате нормализации получается: перлит+графит – и повышается прочность и износостойкость.

После нормализации для снятия внутренних напряжений применяется высокий отпуск при 650-680С с выдержкой 1-1,5ч.

Закалка и отпуск чугунов. Для закалки чугун нагревают до 850-959С. Скорость нагрева изделий сложной формы меньше, чем изделий простой формы. Время выдержки обычно составляет от 1 до 3ч. Охлаждение осуществляют в воде или масле. При закалке аустенит превращается в неравновесные структуры: мартенсит или тростит+графит.

После  закалки проводят отпуск при температуре 200-600С. В результате повышаются твердость, прочность и износостойкость чугуна.

При изотермической закалке чугун нагревают так же, как и при обычной закалке, выдерживают от 10 до 90 мин и охлаждают в расплавленной соли при 200-400С. При этом происходит изотермический распад аустенита с образованием структуры: игольчатый троостит+графит.

В результате изотермической закалки повышаются твердость и прочность, но сохраняется пластичность.

Возможность поверхностная закалка кислородно-ацетиленовым пламенем,  токами высокой частоты или электролите. Температура нагрева -900-1000С. Охлаждение – в воде, масле или масленой эмульсии. При  поверхностной закалке в поверхностном слое образуются структуры: мартенсит+графит или троосмартенсит+графит. После отпуска при 200-600С и охлаждения на воздухе повышаются твердость, прочность и износостойкость поверхностного слоя при наличии мягкой сердцевины.

Старение чугунов. Старение применяют для стабилизации размеров отливок, предотвращения коробления и снятия внутренних напряжений.

Естественное старение осуществляют на открытом воздухе или в помещении. Изделия после литья выдерживаются в течении 6-15 месяцев. При естественном старении снижение напряжений в отливках составляет 3-10%.

 При вибрационном старении снижение напряжений достигает 10-15%. Во время вибрации в отливке возникают дополнительные временные напряжения, вызывающие локальные пластические деформации чугуна и таким образом повышающие стойкость к короблению.

 Старение методом статистической перегрузки отличается тем, что для создания дополнительных временных напряжений деталь подвергают воздействию статистических внешних нагрузок. При этом методе снижение напряжений достигает 1030%.

Старение методом термоударов (термоциклическре старение) осуществляют  путем быстрого нагрева и охлаждения всей детали или отдельных ее участков. Стойкость против коробления повышается за счет пластических деформаций, вызываемых временными температурными напряжениями. Общий уровень напряжений снижается на 10-20%. Термоциклическое старение осуществляются по следующему режиму: загрузка в печь и нагрев за 3-3.5ч до350С, выдержка 2-2,5ч, за тем резкое охлаждение (на воздухе), снова поверхностный нагрев (за 1-1,5ч) до 320С, выдержка 4-5ч, охлаждение вместе с печенью до 150-100С.

Искусственное старение осуществляют при повышенных температурах; длительность – несколько часов.

При искусственном старении отливки чугуна загружают в печь, нагретую до 100-200С, нагревают до температуры 555-570С со скоростью 30-60С/ч, выдерживают 3-5ч и охлаждают вместе с печенью со скоростью 20-40С/ч до температуры 150-200С, а затем охлаждают на воздухе. Обычно старение проводят после грубой механической обработки.

Список использованных источников и  литературы

1.Геллер Ю.А. Погодин-Алексеев Г.И., Рахштадт А.Г. Металловедение М., «Металлургия», 1967 404с.

2.Зуев В.М. Термическая обработка металлов. Учеб. для уч-ся нач. проф. образования — М.: Высш.шк., Academia.2002. 308с.

3.Металловедение и термическая обработка. Справочник под ред. Гудцов Н.Г. и др., М., Металлургиздат., 1956. 1204с.

4.Мозберг. Р.К. Материаловедение Под. ред. Н.Э.Струн. Изд.»Валгус», Таллин, 1976. 544с.

5.Полтавец В.В. Доменное производство. М., Металлургия чугуна. 2001. 476с.

material.osngrad.info

Как получают чугун? Сплав железа с каким веществом позволяет получить чугун?

Чугун — широко используемый в разных отраслях промышленности металл, отличающийся замечательными эксплуатационными характеристиками. Процесс его получения относительно несложен и слишком много шагов в себя не включает. Выплавляют этот материал в домнах — особых печах, представляющих собой нечто вроде увеличенной копии пробирки. О том, как получают чугун, и поговорим далее во всех подробностях.

Горно-обогатительные комбинаты

Основным сырьем, используемым при производстве чугуна, является железная руда. Добывают ее в карьерах в разных местах нашей страны. Как известно, добытая руда содержит большое количество разного рода примесей. Использовать ее для плавки чугуна в таком «сыром» виде, конечно же, нельзя. Поэтому на первом этапе она поступает на специальные предприятия — горно-обогатительные комбинаты. Здесь из нее удаляют пустые породы и дробят. Затем уже чистую руду грузят в вагоны составов и отправляют на металлургические комбинаты.

Процесс агломерации

Собственно, как получают чугун, рассмотрим чуть ниже. Сейчас же поговорим о том, как подготавливается руда для его выплавки непосредственно на металлургических производствах.

Если для переплавки будет использован обычный дробленый материал, производительность доменной печи резко упадет. Дело в том, что такая шихта имеет низкую степень газопроницаемости. Поэтому перед загрузкой в домну руда в обязательном порядке проходит процесс агломерации.

Выполняется эта процедура в специализированных цехах металлургических комбинатов и представляет собой процесс спекания породы в куски определенного, наиболее подходящего для выплавки чугуна размера. Происходит слипание при высокой температуре, достаточной для легкого расплавления поверхности частиц шихты. В результате последние просто-напросто склеиваются друг с другом, образуя куски. При этом предварительно руда смешивается с углем. В результате горения последнего и достигается необходимая для получения кусков температура. Стимулируется процесс агломерации путем пропускания через слой руды с углем потоков воздуха (сверху вниз).

Для получения агломерата может использоваться не только руда. Иногда его делают также из небольших кусков железа. Его сплав с каким веществом позволяет получить чугун, будет рассмотрено ниже. Конечно же, для производства этого металла используется не железо в чушках. Переплавляют на чугун обычный металлолом.

Что происходит в печи

Итак, давайте посмотрим, как получают чугун в домне. Изнутри печь такой конструкции облицована кирпичом. Принцип ее работы относительно прост. При производстве чугуна, помимо агломерата, используются кокс, известь и флюс. Смесь из этих материалов готовится в определенной пропорции. Она то и называется доменной шихтой. Ее насыпают в специальные подъемники и поднимают на самый верх печи.

Для того чтобы кокс загорелся, необходимо большое количество воздуха, обогащенного кислородом. Он подается в доменную печь снизу, через специальные отверстия, называемые фурменными. Вдувается он в печь под очень большим давлением. Это необходимо для того, чтобы воздух проник через пласт подаваемой сверху шихты. При этом предварительно поток подогревается до 600-800 градусов, иначе температура внутри печи снизится.

Полученный при расправлении шихты чугун стекает вниз и с периодичностью примерно один раз в 40 мин выпускается наружу через специальное отверстие, называемое леткой. Далее он переливается в чаши большой емкости и перевозится в сталеплавильные цеха.

Восстановление и науглероживание железа в печи

Все домны работают по принципу противотока. При этом в них поочередно происходят следующие химические процессы:

1. Восстановление железа. Происходит этот процесс последовательно и выглядит так: Fe₂O₃ — Fe₃O₄ — FeO — Fe. В качестве восстановителя в данном случае выступает оксид углерода (CO), образующийся при взаимодействии CO₂ с раскаленным коксом, а также твердый углерод последнего.
2. Науглероживание железа. Реакция в данном случае выглядит так: 3Fe + 2CO = Fe₃C + CO₂ + Q. Карбид Fe₃C легко смешивается с твердым железом, в результате чего и образуется сплав последнего с углеродом. Стекая вниз, он омывает куски кокса и науглероживается еще больше. Помимо этого, в нем растворяются такие вещества, как марганец, сера, кремний и т. д.

Таким образом, становится понятно, доменный металл — это сплав железа с каким веществом. Получить чугун можно просто путем науглероживания расплава шихты.

Восстановление других элементов

Mn, кремний, сера и фосфор попадают в доменную печь вместе с шихтой в виде различных химических соединений. Высшие оксиды марганца восстанавливаются до MnO примерно по тому же принципу, что и железо: MnO₂ — Mn₂O₃ — Mn₃O₄ — MnO. Чистый марганец выделяется так: MnO + C = Mn + CO — Q. Кремний попадает в печь в виде кремнезема SiO₂. Восстановление его происходит по реакции SiO₂ + 2C = Si + 2CO — Q.

Фосфор восстанавливается водородом, твердым углеродом и CO и, к сожалению, переходит в чугун практически полностью. Этот элемент ухудшает доменный сплав железа. Позволяет получить чугун хорошего качества присутствующий в шихте кремнезем, а также высшие оксиды марганца. Mn в некоторых случаях добавляется в домну специально. При этом получается особый вид чугуна — марганцевый.

Удаление серы

Вопрос о том, как получить чугун хорошего качества, сводится в том числе и к очистке его от этого нежелательного элемента. Сера является основной вредной примесью, значительно ухудшающей свойства конечного продукта выплавки. Основное ее количество содержится в коксе. Удаляют серу путем повышения содержания в шихте извести (CaO) и увеличения температуры в горне. Реакция в данном случае выглядит так: FeS + CaO = FeO + CaO + Q. Для снижения процента содержания серы в чугуне могут использоваться и другие способы. К примеру, иногда уже выплавленный материал обрабатывается в выпускном желобе или чаше с содой. При этом удаление серы происходит в результате реакции FeS + NaCO₃ = FeO + Na₂S + CO₂.

Образование шлака

Таким образом, мы с вами выяснили, как получают чугун. Однако при выплавке этого материала получается и еще один, широко используемый в народном хозяйстве продукт. При плавке 1 т чугуна выходит 0,6 т шлака. Дело в том, что даже в очищенной железной руде содержится довольно-таки большое количество глины. В состав кокса же входит зола. Для удаления этих ненужных элементов к шихте, помимо всего прочего, примешивают флюсы (карбонаты кальция и магния). В процессе плавки они вступают в химическую реакцию с разного рода примесями, в результате чего и образуется шлак. Представляет он собой алюмосиликатный или силикатный расплав.

Плотность шлака меньше, чем жидкого чугуна. Поэтому в процессе плавки он располагается под ним. Удаляют его периодически через отдельную летку, называемую шлаковой. Используется этот побочный продукт чугунолитейного производства в основном для изготовления цемента и строительных блоков в качестве наполнителя.

Виды чугуна

Как видите, вопрос о том, как получить чугун в домне, относительно несложен. В конечном итоге, однако, из печи может выходить материал, немного отличающийся по химическому составу и физическим свойствам. Все чугуны в основном подразделяются на две разновидности: передельные (белые) и литейные (серые). Первый тип используется как сырье при производстве сталей. Литейный применяют для получения разного рода чугунных изделий, пользующихся на рынке неплохим спросом.

Белый чугун

Доля этой разновидности выплавляемого в доменных печах металла составляет 75-80%. Основными свойствами такого чугуна являются: большая твердость, хрупкость и износоустойчивость. Марганца и серы в нем содержится обычно больше, чем в литейном. Обработке белый чугун поддается с большим трудом. Использовать для изготовления из него каких-либо изделий обычные режущие инструменты современных станков нельзя. Зато сталь получают из чугуна этой разновидности довольно-таки просто. Подразделяется передельный доменный металл в зависимости от способа дальнейшей переплавки на три класса: мартеновский (М), бессемеровский (Б) и томасовский (Т).

Литейный чугун

Углерод в этом материале в основном содержится в виде свободного графита, имеющего в своем составе кремний. Поставляется он для изготовления чугунных изделий в виде чушек. Маркируется этот материал буквой «Л» и цифрами от «1» до «6», в зависимости от назначения. Существует также рафинированный магнием литейный чугун, помечаемый буквами «ЛР».

Ну что ж, надеемся, мы в достаточно полной мере ответили на вопрос о том, сплав железа с каким веществом позволяет получить чугун. Это обычный углерод, замещающий в доменной печи входящий в состав руды кислород. Основные же свойства чугуна зависят от количества входящих в его состав примесей: марганца, фосфора, кремния и серы.

fb.ru

Понятие о сплавах. Чугун и сталь

Поскольку разные металлы имеют подобный металлический связь и образуют подобные кристаллические решетки, то при переходе в расплавленное состояние они могут смешиваться друг с другом, образуя сплавы. В расплавленных металлах могут растворяться также некоторые неметаллы и сложные вещества.

Сплав — это система, состоящая минимум из двух компонентов, из которых хотя бы один является металлом.

Сплавы имеют более разнообразные свойства по сравнению с металлами, поэтому в промышленности редко используют чистые металлы. В большинстве случаев для изготовления деталей различных машин и приборов применяют сплавы. Так медь, олово, цинк — мягкие металлы, а сплав на их основе — бронза — очень твердый. Поэтому бронза с давних времен используется человеком для изготовления оружия, сельскохозяйственных орудий труда и других изделий, требующих повышенной твердости. Сплавы являются главными конструкционными материалами. Их самые свойства — жаростойкость, коррозионная стойкость, прочность, твердость и т.п. обуславливают широкое применение сплавов в технике.

Сплавы проявляют общие свойства металлов: металлический блеск, высокие электропроводность и теплопроводность. Но свойства сплавов отличаются от свойств их компонентов. Твердость сплавов больше твердость металлов, входящих в их состав. Вот почему при изготовлении золотых ювелирных изделий для прочности добавляют медь или серебро. Плотность сплава равна средней плотности металлов, входящих в его состав. Температура плавления сплава, как правило, меньше температуры плавления наиболее легкоплавкого компонента. Например, сплав, состоящий из 36% свинца (tпл = 327 ? C) и 64% олова (tпл = 232 ? C) плавится при температуре 181 ? C. Теплопроводность и электропроводность сплавов меньше, чем в некоторых металлов. При смешивании металлов часто происходит изменение цвета, например, сплав меди с никелем, который используется при чеканке монет имеет белый цвет. В наше время создаются сплавы с заранее заданными необходимыми свойствами.

По своей внутренней кристаллической структуре сплавы бывают разными: растворами, смесями или соединениями. Если атомы одного металла замещают атомы другого в узлах кристаллической решетки, то образуются твердые растворы. Это возможно, если размеры атомов отдельных металлов были близки, а типы кристаллических решеток совпадают. Примером такого сплава является мельхиор — сплав меди и никеля. Механические смеси состоят из кристаллов металлов. Если при сплавлении металлы взаимодействуют друг с другом, то образуются интерметаллических соединений. Большинство сплавов по своей структуре являются неоднородными, некоторые сплавы являются однородными (например, латунь — сплав меди и цинка).

Различают черные и цветные сплавы. Черными сплавами называют сплавы на основе железа. К ним относятся чугун и сталь. Чугуном называют сплав железа с углеродом с массовой долей углерода больше 1,7%. Чаще чугун содержит от 2,6% до 3,6% углерода. Кроме углерода, в чугуне является кремний, марганец, сера, фосфор и другие компоненты. Чугун — твердый и хрупкий материал. Его широко применяют в машиностроении для изготовления различных деталей. Сталь содержит менее 1,7% углерода. В отличие от чугуна сталь ковка. По назначению различают машиностроительную (конструкционную) и инструментальную стали. Неиржавна сталь устойчива к коррозии. Сталь и чугун являются важнейшими сплавами современной техники. Объемы производства этих железоуглеродистых сплавов превышают производство всех других металлов вместе взятых более чем в десять раз.

Алюминиевые сплавы легкие, обладают высокими электро-и теплопроводность, коррозионную стойкость, прочность. Их применяют как конструкционные материалы в авиации, строительстве, машиностроении, электротехнике. Сплавы на основе магния присущи легкость, прочность, коррозионная стойкость, поэтому их используют в автомобилестроении, для изготовления штампованных изделий сложной формы. Титановые сплавы применяют в авиации, ракетостроении для изготовления химической аппаратуры, а также в медицине. Медные сплавы прочны, обладают высокой электропроводностью, коррозионную стойкость, пластичность. Из них изготавливают трубы, различные аппараты и детали, художественные изделия и скульптуры.

В XXI веке металлы и сплавы остаются самыми распространенными материалами, которые применяются в различных отраслях.

worldofscience.ru