В промышленности, быту широкого используются изделия из чугуна. Металл представляет собой железо, в молекулярную структуру которого интегрировано 2 процента углерода. Сегодня получают большое величество марок металла, имеющего различные характеристики излома. Около ста видов.
Производство требует огромного количества тепловой энергии, поскольку температура плавления чугуна составляет свыше одной тысячи градусов по Цельсию. Плавка происходит при температуре 1150 — 1200 C° .
Помимо углерода, для получения необходимой марки, в замесы добавляют кремний, серу, марганец, фосфор. Повышения прочности добиваются вкраплением в замесы легирующих добавок.
Виды чугуна
Существует несколько видов чугуна. В него добавляют различные легирующие примеси, которые изменяют характеристики цельного материала. Для этого используют алюминий, хром, ванадий или никель. В дополнение к ним идут и другие примеси. Параметры готовых изделий напрямую зависят от состава сплава. Разновидности:
- Серый чугун. Считается самым популярным видом. В составе содержится 2,5% углерода, который представляет собой частицу графита или перлита. Обладает высоким показателем прочности. Из серого чугуна делают детали, выдерживающие постоянные нагрузки. Это могут быть зубчатые шестерни, детали корпусов, втулки.
- Белый чугун. Углерод, содержащийся в составе, представляет собой частицы карбида. На изломе материала остаётся белый след, что соответствует названию. Содержание углерода в среднем более 3%. Хрупкая и ломкая разновидность материала, из-за чего его используют только в статических деталях.
- Половинчатый. Объединяет в себе характеристики двух предыдущих видов чугуна. Частицы графита и карбида насыщают металл углеродом. Его содержание от 3,5 до 4,2%. Износоустойчивый материал, который используется в машиностроении. Выдерживает постоянное трение.
- Ковкий чугун. Получается из второй разновидности материала, после проведения отжига. Сплав содержит углерод в виде частиц феррита. Его количество — около 3,5%. Как и половинчатый используется для изготовления деталей в машиностроении.
Чтобы получить высокопрочный материал, частицы графита подвергают обработке, чтобы они приняли шаровидную форму и заполнили кристаллическую решётку. В сплав добавляют магний, кальций или церий.
Изменения решётки
При увеличении тепла (чугун плавится при температуре 1200 градусов по Цельсию), происходит переход кристаллической решётки в текущее жидкое состояние. Именно в этот момент растёт внутренняя энергия металла. Достигнув нагрева свыше одной тысячи градусов, кристаллическая решётка разрушается. В это время, поступающая тепловая энергия продолжает ослаблять молекулярные связи. Наблюдается увеличение запасов энергии внутри металла. Она выше той, что содержит кристаллизованный материал, в несколько раз.
Прекращение нагревания является началом охлаждения металла. Происходит обратный процесс кристаллизации, развивающийся по дендритному алгоритму. То есть из точек, мотивирующих такое развитие. Они (дендриты) выступают в роли априорных стадий процесса. Кристалл вырастает как бы из центра явления. В жидком, но уже в остывающем чугуне, кристаллизация происходит по принципу строения дерева. В процессе участвуют дендриты цементита, аустенита и графита. Зафиксировано термодинамическим способом, что именно графит шаровидной формы представлен дендритом, имеющим секторальную слоистую конструкцию.
Тепловые свойства чугуна
Характеристики металла зависят от его тепловых свойств. Они меняются при обработке высокими и низкими температурами. Напрямую зависят от состава сплава.
Теплоемкость
Теплоемкость — обработка металла теплом. Нагревается до тех пор, пока температура заготовки не поднимется на один Кельвин. Этот показатель зависит от наличия дополнительных компонентов в сплаве и температуры. Если она высокая, то и теплоемкость будет больше. Средние показатели теплоемкости:
- Твердый металл — 1 кал/см3Г.
- Расплавленные материал — 1,5 кал/см3Г.
Из этих показателей высчитывается соотношение теплоемкости и объема вещества.
Расплавленный металл
Теплопроводность
Этот параметр определяет насколько хорошо материал может проводить теплоэнергию. Зависит не только от компонентов в составе сплава, но и структуры металла. Теплопроводность для твердого материала выше, чем для расплавленного. У разных марок стали этот показатель варьируется в пределах 0.08–0.13 кал/см сек оС.
Температуропроводность
Эта физическая величина отображает способность материла изменять температуру тела. При расчёте требуется учитывать такие показатели:
- Диапазон теплопроводности для разных марок чугуна. Применимо к твердому материалу.
- Для жидкого металла — 0.03 см2/сек.
Дополнительно учитывается показатель теплоемкости.
Механические особенности
Предел прочности
Предел прочности чугуна при сжатии зависит от структуры самого материала. Составляющие структуры набирают свою прочность вместе с увеличением уровня дисперсности. На предел прочности оказывают сильное влияние количество, величина, распределение и формаграфитных включений. Предел прочности уменьшается на заметную величину, если графитные включения расположены в виде цепочки. Такое расположение уменьшает сплоченность металлической массы.
Предел прочности достигает максимального значения, когда графит принимает сфероидальную форму. Получается такая форма без влияния температуры, но при включении в чугунную массу церия и магния.
- При повышении температуры плавления до 400ºС, предел прочности не изменяется.
- Если температура поднимается выше этого значения, то предел прочности уменьшается.
- Заметим, что при температуре от 100 до 200ºС предел прочности может снижаться на 10-15%.
Пластичность
Пластичность чугуна в большей степени зависит от формы графита, а так же зависят от структуры металлической массы. Если графитные включения имеют сфероидальную форму, то процент удлинения может достигать 30.
- В обычном чугуне серого вида удлинение достигает только десятой доли.
- В отожженном чугуне серого вида удлинение равно 1,5%.
Упругость
Упругость зависит от формы графита. Если графитные включения не менялись, а температура повышалась, то упругость остается при том же значении.
Модуль упругости считается условной величиной, так как он имеет относительное значение и прямо зависит от присутствия графитных включений. Модуль упругости снижается, если увеличивается количество графитных включений. Так же модуль упругости возрастает, если форма включений отдалена от глобулярной формы.
Ударная вязкость
Этот показатель отражает динамические свойства материала. Ударная вязкость чугуна повышается:
- когда форма графитных включений приближена к шаровидной;
- когда содержание феррита увеличивается;
- когда уменьшается содержание графита.
Предел выносливости
Предел выносливости чугуна становится больше, когда увеличивается частота нагружений и становится больше предел прочности.
Температура плавления
Чугун считается лучшим металлом для плавки. Высокий показатель жидкотекучести и низкий усадки позволяют эффективнее использовать его при литье. Ниже будут приведены показатели температуры кипения для разных видов этого металла в градусах Цельсия:
- Серый чугун — температура плавления достигает 1260 градусов. При заливке в формы поднимается до 1400.
- Белый — плавится при 1350 градусах. Заливается в формы при 1450.
Показатели плавления чугуна на 400 градусов ниже, чем у стали. Это снижает затраты энергии при обработке чугуна.
Физические характеристики
Масса
Вес материала меняется в зависимости от количества связанного углерода и наличия определенного процента пористости. Удельный вес чугуна при температуре плавления может существенно снижаться в зависимости от наличия в чугуне примесей.
Кроме этого линейное расширение металла и структура чугуна меняется в зависимости от состояния каждого показателя. То есть это зависимые величины.
Удельный вес каждого чугуна отличается в зависимости от вида материала. У серого чугуна удельная масса равна 7,1±0,2 г/см3, у белого – 7,5±0,2 г/см3 , у ковкого – 7,3±0,2 г/см3.
О некоторых физических свойствах чугуна поведает видео ниже:
Объем
Объем чугуна, проходя через температуру фазовых превращений, достигает увеличения в 30%. Однако, при нагреве в 500ºС, объем увеличивается на 3%. Росту помогают графитообразующие элементы. Тормозят рост объема карбидообразующие составляющие. Та же росту препятствует нанесение на поверхность гальванических покрытий.
Содержание углерода обычно составляет не менее 2,14%. Благодаря углеродной доле чугун имеет отличную твердость. Однако пластичность и ковкость материала на этом фоне страдают.
О том, какова плотность чугуна, расскажем ниже.
Плотность
Плотность описываемого материала, чугуна, равна 7,2 гр/см3. Если сравнивать с чугуном другие металлы и сплавы, то это значение плотности достаточно высокое.
Благодаря хорошему значению плотности чугун широко применяют для литья разнообразных деталей в промышленности. По этому свойству чугун совсем незначительно уступает некоторым сталям.
Влияние химических элементов на свойства металла
Чтобы понимать, как влияют примеси на характеристики и свойства чугуна, необходимо разобраться со структурой его отдельных видов:
- Белый — форма углерода в этой разновидности представляет собой карбид. На изломе виднеется белый цвет. Считается хрупким и ломким материалом, который редко используется в промышленности без добавок.
- Серый чугун. Пластинки графита в этом материале насыщают его углеродом. Чтобы использовать материал при производстве деталей для промышленного оборудования, изменяется форма зерен с помощью плавки.
- Ковкий — графитные зерна в этой разновидности металла имеют вид хлопьев.
Высокопрочный чугун получается после добавления в сплав магния. Чтобы улучшить характеристики этого металла, используются примеси.
Примеси
Каждая примесь, добавляемая к железу и углероду, изменяет свойства готового материала. Влияние добавок на качество чугуна:
- Магний. Позволяет сделать шаровидные зерна в материале. Это увеличивает показатели прочности и твердости заготовки.
- Марганец. Замедляет процесс графитизации. Металл белее на изломах.
- Кремний. Увеличивает графитизацию материала. Максимальное количество кремния в заготовке — 3,5%. От его количества зависит показатель прочности.
- Сера. Количество этой примеси снижается для улучшения жидкотекучести.
- Фосфор. Практически не влияет на процесс графитизации. Улучшает жидкотекучесть. При добавлении фосфора в сплав, улучшается износоустойчивость и прочность.
В чугун могут добавляться легированные материалы.
Сера
Отличия от стали
Чугун и сталь часто сравнивают, но они во многом отличаются друг от друга, а среди основных различий:
- Меньшая твердость и плотность у чугунного сплава.
- Разное количество углерода.
- Необходимость литья для чугуна, когда стали нужна только ковка или варка.
- Цвет, так как стальные изделия блестят, а чугунные всегда матовые черные.
- Стали требуется закалка.
- Чугунный сплав весит меньше стали.
И еще одно важное отличие состоит в том, что первичный продукт в черной металлургии называется чугуном, а конечный — сталью.
Технология самостоятельной плавки
Зная при какой температуре плавится чугун, можно провести самостоятельную плавку. Однако это затратный и трудоемкий процесс. Сделать качественную отливку без специального оборудования невозможно.
В первую очередь, требуется оборудовать отдельное помещение, в котором будет хорошая вентиляция. Процесс плавки производится в печи. Лучший вариант — доменная печь. С ее помощью можно перерабатывать большие объемы расходного материала (железорудного сырья). Используемое топливо — кокс. Однако это промышленно оборудование, которое требуется особых условий использования.
В собственных мастерских используются индукционные печи. Расплавляется сырьё в тиглях. В процессе плавки необходимо использовать флюс, благодаря которому образуется легкоплавкий шлак. Когда металл расплавлен, мастер переливает его в формы из песка или металла.
Температура плавления чугуна незначительно изменяется в зависимости от вида материала и содержащихся в нём примесей. В домашних условиях крайне сложно обрабатывать этот металл. Требуется оборудовать помещение, позаботиться о вентиляции и пожаробезопасности. После подготовки установить печь и другие приспособления для плавки.
Нержавеющая сталь
Нержавеющая сталь — это один из многих железных сплавов, которые содержатся в стали. Она содержит в себе Хром от 15 до 30%, который делает её ржаво-устойчивой, создавая защитный слой оксида на поверхности, и углерод. Самые популярные марки такой стали зарубежные. Это 300-я и 400-я серии. Они отличаются своей прочностью, устойчивостью к неблагоприятным условиям и пластичностью. 200-я серия менее качественная, но более дешёвая. Это и является выгодным для производителя фактором. Впервые её состав заметил в 1913 году Гарри Бреарли, который проводил над сталью много разных экспериментов.
На данный момент нержавейку разделяют на три группы:
- Жаропрочная — при высоких температурах имеет высокую механическую прочность и устойчивость. Детали, которые из неё изготавливаются применяют в сферах фармацевтики, ракетной отрасли, текстильной промышленности.
- Ржаво-стойкая — имеет большую стойкость к процессам ржавления. Её используют в бытовых и медицинских приборах, а также в машиностроении для изготовления деталей.
- Жаростойкая — является устойчивой при коррозии в высоких температурах, подходит для использования на химических заводах.
Температура плавления нержавеющей стали колеблется в зависимости от её марки и количества сплавов приблизительно от 1300 °C до 1400 °C.
