Чугун сплав, его свойства, характеристики, виды и применение

Обновлено: 23.04.2021 12:51:21

Эксперт: Константин Борисович Поляков

Чугун – это один из самых известных материалов для производства литых изделий. Он характеризуется прочностью, хорошей износоустойчивостью, теплопроводностью и другими привлекательными эксплуатационными качествами. Вот только он сам по себе – не металл. Это сплав.

По нормативам этот материал являет собой сплав железа с углеродом. Металлической части в нём не менее 90%, неметаллической – до 6,67%. Кроме непосредственно углерода, сплав может включать и другие примеси – марганец, фосфор, кремний и так далее. От процентного соотношения этих включений зависит не только марка, но и физико-химические свойства.

Так, наиболее широко применяются белый и серый чугуны. Они как раз различаются процентом содержания углерода в составе. И из-за этого эксплуатационные свойства также разнятся.

В этой статье мы разберёмся, в чём разница между серым и белым чугуном – и что лучше использовать в тех или иных целях.

Что представляет собой серый чугун?

Соответствующий тип чугуна относится к самым распространенным в сфере машиностроения. Данный металл характеризуется наличием в шлифе графита пластинчатой формы. Его содержание в сером чугуне может быть разным. Чем оно больше, тем более темным становится металл на изломе, а также тем мягче чугун. Отливки из рассматриваемого типа металла могут выпускаться любой толщины.

Основные особенности серого чугуна:

1. минимальное относительное удлинение — как правило, не превышающее 0,5 %;
2. невысокая ударная вязкость;
3. низкая пластичность.

В сером чугуне имеется небольшой процент связанного углерода — не более 0,5 %. Оставшаяся часть углерода представлена в виде графита — то есть в свободном состоянии. Серый чугун может выпускаться на перлитной, ферритной, а также смешанной — феррито-перлитной — основе. В рассматриваемом металле, как правило, присутствует значительный процент кремния.

Серый чугун достаточно легко поддается обработке посредством режущих инструментов. Данный металл используется при отливе изделий, которые оптимальны с точки зрения сопротивления сжатию. Например, различных опорных элементов, батарей, водопроводных труб. Распространено применение серого чугуна и в машиностроении — чаще всего при изготовлении деталей, для которых не характерны ударные нагрузки. Например, корпусов для станков.

Инструментальные углеродистые стали

Обозначение и маркировка инструментальных углеродистых сталей

Инструментальный углеродистые стали маркируют в соответствии с ГОСТ 1435-90.

Инструментальные углеродистые стали выпускают следующих марок: У7.У8ГА.У8Г, У9, У 10, У 11, У 12 и У 13. Цифры указывают на содержание углерода в десятых долях процента. Буква Г после цифры означает, что сталь имеет повышенное содержание марганца. Марка инструментальной углеродистой стали высокого качества имеет букву А.

Примеры обозначения и расшифровки

1. У12 — сталь инструментальная, высокоуглеродистая, содержащая 1,2% углерода, качественная.
2. У8ГА — сталь инструментальная, высокоуглеродистая, содержащая 0,8% углерода, 1% марганца, высококачественная
3. У9А — сталь инструментальная, высокоуглеродистая, содержащая 0,9% углерода, высококачественная.

Обозначение и маркировка легированных сталей

Легированные стали маркируются комбинацией цифр и заглавных букв алфавита. В обозначении нет слова «сталь» или символа «Ст». Например, 40Х, 38ХМ10А, 20Х13. Первые две цифры обозначают содержание углерода в сотых долях процента. Следующие буквы являются сокращенным обозначением элемента. Цифры, стоящие после букв, обозначают содержание этого элемента в целых процентах. Если за буквой не стоит цифра, значит содержание этого элемента до 1%.

Таблица 4. — Обозначение элементов марка

Для изготовления измерительных инструментов применяют Х, ХВГ. Стали для штампов: 9Х, Х12М, 3Х2Н8Ф.

Стали для ударного инструмента: 4ХС, 5ХВ2С.

Обозначение быстрорежущих высоколегированными сталей

Все быстрорежущие стали являются высоколегированными. Это стали для оснащения рабочей части резцов, фрез, сверл и т.д.

Маркировка быстрорежущих сталей всегда начинается с буквы Р и числа, показывающего содержание вольфрама в процентах. Наиболее распространенными марками являются Р9, Р18, Р12.

1. Коррозионностойкие стали.
   Коррозионностойкой (или нержавеющей) называют сталь, обладающую высокой химической стойкостью в агрес­сивных средах. Коррозионностойкие стали получают легированием низко- и среднеуглеродистых сталей хромом, никелем, титаном, алюминием, марганцем. Антикоррозионные свойства сталям придают введением в них большого количества хрома или хрома и никеля. Наибольшее распространение получили хромистые и хромоникелевые стали. Например, хромистые стали 95Х18, 30Х13, 08Х17Т. Хромоникелевые нержавеющие имеют большую коррозийную стойкость, чем хромистые стали, обладают повышенной прочностью и хорошей технологичностью в отношении обработки давлением. Например, 12Х18Н10Т, 08Х10Н20Т2.
2. Жаростойкие
   оболадают стойкостью против химического разрушения в газовых средах, работающие в слабонагруженном состоянии
3. Жаропрочные стали
   — это стали, способные выдерживать механические нагрузки без существенных деформаций при высоких температурах. К числу жаропрочных относят стали, содержащие хром, кремний, молибден, никель и др.
4. Например, 40Х10С2М, 11Х11Н2В2МФ.
5. Износостойкие стали
   , обладающие повышенной стойкостью к износу: шарикоподшипниковые, графитизированные и высокомарганцовистые. Особенности обозначения подшипниковых сталей. Маркировка начинается с буквы Ш, цифра, стоящая после буквы Х, показывает содержание хрома в десятых долях процента. Например, ШХ9, ШХ15ГС.

Что представляет собой белый чугун?

Данный тип чугуна характеризуется наличием углерода, который практически полностью представлен в структуре металла в связанном состоянии. Рассматриваемый металл — твердый и в то же время достаточно хрупкий. Он устойчив к коррозии, износу, температурному воздействию. Белый чугун довольно трудно поддается обработке посредством ручных инструментов. На изломе этот металл имеет светлый оттенок, лучистую структуру.

Основная сфера применения белого чугуна — последующая переработка. Как правило, он переделывается в сталь, во многих случаях — как раз таки в серый чугун. В промышленности его применение не слишком распространено по причине хрупкости и трудности обработки.

Процента кремния в белом чугуне существенно меньше, чем в сером. В рассматриваемом металле также может быть более высокая концентрация марганца и фосфора (отметим, что во многом их наличие предопределяется химическим составом руды, из которой выплавляется чугун). Собственно, увеличение количества кремния в металле сопровождается сокращением объема связанного углерода в его структуре.

Технология производства

Выплавка чугуна проводится на протяжении нескольких десятилетий, что связано с его уникальными эксплуатационными качествами. Большое количество разновидностей сплавов определяет применение особых правил маркировки. Маркировка чугунов проводится следующим образом:

1. Литейные обозначаются буквой Л.
2. Серый получил широкое распространение, для его обозначения применяется сочетание букв «СЧ».
3. Ковкий обозначают КЧ.
4. Предельный или белый обозначают буквой П.
5. Антифрикционный или серый обозначают АЧС.
6. Легированные чугуны могут обладать самым различным химическим составом и обозначаются буквой «Ч».

Технология производства чугуна предусматривает проведение нескольких этапов, которые позволяют получить требуемую структуру. Рассматривая процесс получения чугуна, отметим следующие моменты:

1. Производство проводится в специальных доменных печах.
2. Легированный и жаростойкий чугун могут получаться при использовании в качестве сырья железной руды.
3. Технология представлена в восстановлении оксидов железа руды. В результате перестроения кристаллической решетки и изменения структуры на выходе получается материал, который называют чугуном.
4. Рассматривая способы производства, отметим, что особенности технологии также заключаются в применяемых материалах – коксах. Под коксом подразумевают природный газ или термоантрацит, выступающие в качестве топлива.
5. Изготовление чугуна предусматривает отпуск железа в твердой форме при применении специальной печи. На данном этапе получается жидкий чугун.

Оборудование для производства чугуна может существенно отличаться. Кроме этого, применяемая технология производства во многом определяет то, какой будет получен материал. Примером можно назвать производство ВЧШГ, которое связано с приданием структуре необычную форму.

Сравнение

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

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

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

Физический свойства

Чугун стал широко распространен благодаря привлекательным физическим качествам:

1. Цена материала значительно меньше цены иных сплавов. Собственно поэтому его используют для создания самых всевозможных изделий.
2. Разглядывая плотность чугуна, напомним, что этот показатель значительно меньше, чем у стали, благодаря чему материал становится значительно легче.
3. Температура плавления чугуна может несколько отличаться в зависимости от его структуры, во многих случаях составляет 1 200 градусов по Цельсию. За счёт включения в состав разных добавок температура плавления чугуна способен значительно увеличиваться или уменьшаться.
4. При подборе материала многие уделяют внимание тому, что цвет чугуна может немного разниться в зависимости от структуры и химического состава.

Температура кипения чугуна также в большинстве случаев зависит от химического состава. Для того, чтобы рассмотреть физические характеристики материала, необходимо уделять свое внимание каждой его разновидности.

Другая структура и состав становятся основой придания других физико-механических качеств.

Таблица

Общепринятая маркировка металла

Согласно с рекомендациями ГОСТ 1215–79, маркировка ковкого чугуна включает в себя первые буквы его наименования – КЧ. Прописанное число, состоящее из двух цифр, отображает показатель временного сопротивления или предел стойкости к деформации и разрушению, измеряемый в 10 МПа – КЧ 70. Цифра, прописанная через дефис, отражает величину пластической деформации во время растяжения с единицей измерения «%» (относительное удлинения) – КЧ70-2.

Вдобавок к этому, марки ковких сплавов классифицируются в зависимости от их структур. К ферритному и ферритно-перлитному классу относятся КЧ с относительно низкими пределами стойкости к разрушениям и более высокими процентами относительного удлинения. Сплавы с перлитовой структурой представлены с высокими значениями временного сопротивления и со сравнительно низкими показателями относительного удлинения.

По данным ГОСТ 26358, можно определить такие свойства марок ковкого чугуна, как:

• временное сопротивление разрыву;
• твёрдость по Бринеллю (НВ);
• относительное удлинение.

Оглавление книги открыть закрыть

Материалы, применяемые в машиностроении Углеродистые стали Углеродистые стали обыкновенного качества Качественные углеродистые стали Инструментальные углеродистые стали Чугуны: классификация и свойства Ковкий чугун Высокопрочный чугун Антифрикционные чугуны Легированные стали: свойства и классификация Конструкционные легированные стали Инструментальные легированные стали Стали и сплавы с особыми свойствами: нержавеющие, шарикоподшипниковые, пружинные, автоматные Электротехнические стали и сплавы Порошковые материалы Сплавы цветных металлов Медь и ее сплавы Алюминий и его сплавы Антифрикционные сплавы Композиционные материалы Композиционные материалы с металлической матрицей Материалы с неметаллической матрицей Конструкционные материалы на органической основе Пластмассы: состав, свойства и классификация Резины: состав, свойства и виды Конструкционные материалы на неорганической основе Неорганическое стекло: свойства и классификация Теплозвукоизоляционные стекловолокнистые материалы Ситаллы: получение и свойства Керамические материалы: свойства и виды Графит и его свойства Защитные материалы и их виды

Использование

Из-за особенных физико-механических качеств использование чугуна стало возможным в разных сферах:

1. Для изготовления разных деталей в сфере машиностроения. На протяжении долгого времени конкретно данный сплав применяется в процессе изготовления очень разных деталей для мотора внутреннего сгорания. При этом производители машин проводят изменение главных параметров материала путем его легирования, что нужно для достижения уникальных качеств. Помимо прочего, огромную популярность получили тормозные колодки из этого сплава.
2. Чугунные изделия могут держать влияние невысокой температуры. Благодаря этому материал используется во время изготовления техники и инструментов, которые используются в жёстких условиях климата.
3. Ценится чугун в металлургической области. Это связано с небольшой ценой, которая в большинстве случаев зависит от концентрации углерода и свойств получаемой структуры. Высокие литейные качества также делают материал намного красивее. Получаемые изделия отличаются большой прочностью и устойчивостью к износу.
4. За последнии полвека рассматриваемый сплав активно используется в процессе изготовления сантехоборудования. Это связано с высокими антикоррозионными способностями, а еще возможностью получения изделий очень разной формы. Примером можно назвать ванны из чугуна и отопительные приборы, разные трубы, батареи и мойки. Не обращая внимания на возникновение материалов, которые могли бы заменить чугун, такие изделия пользуются немалой популярностью. Связывают это с тем, что они берегут начальный вид на протяжении долгого эксплуатационного периода.
5. Применяется сплав и для производства разных элементов декора, что связано с высокими литейными качествами. Примером можно назвать решётку для ограждений, разные фигурки и многое иное.

Помимо прочего, область использования зависит от приведенных ниже параметров рассматриваемого материала:

1. Некоторые марки обладают большой прочностью, которая специфична для стали. Собственно поэтому материал используется даже после возникновения современных сплавов.
2. Изделия из чугуна способны в течение долгого периода держать тепло. При этом тепловая энергия может одинаково распространяться по материалу. Данные качества стали применяться в процессе изготовления радиаторов отопления или других таких изделий.
3. В большинстве случаев считают, что чугун – безопасный в экологическом плане материал. Собственно поэтому его часто используют в процессе изготовления разной посуды, например, казана.
4. Высокая устойчивость к влиянию кислотно-щелочной среды.
5. Прекрасная гигиеничность, так как все загрязняющие вещества могут легко удаляться с поверхности.
6. Материал который рассматривается отличается достаточно большим служебным сроком при условиях выполнения советов по эксплуатированию.
7. Входящие в состав химические вещества не могут нанести ущерба здоровью.

Подводя итог напомним, что давно открытая производственная технология рассматриваемого материала на протяжении долгого времени оставалась фактически неизменной. Связывают это с тем, что при относительно низких затратах можно было получить значительный объем расплавленного сплава.

На данный момент часто проходит изготовление материала из лома, что дает возможность еще в высокой степени уменьшить отпускная цена получаемого продукта.