Чугун: понятие, производство, особенности, структура, свойства и применение

Что такое чугун

Итак, давайте узнаем, какие железоуглеродистые сплавы называют чугунами.

Понятие

Чугуном называется железоуглеродистый сплав с содержанием углерода, то есть под ним понимается материал, который состоит из сплава железа и углерода. Процентное содержание углерода в чугуне составляет более 2,14%. Последний элемент может входить в чугун в виде графита или цементита.

Данное видео рассказывает об особенностях чугуна:

Разновидности

Различают белый и серый чугун.

Углерод в белом чугуне представлен в виде карбида железа. Если переломить его, то можно увидеть белый отлив. В чистом виде белый чугун не используют. Его добавляют к процессу производства ковкого чугуна.
На изломе серый чугун имеет серебристый отлив. У этого вида чугуна большая сфера использования. Он хорошо поддается обработке резцами.

Кроме этого, чугуны бывают высокопрочные, ковкие и со специальными свойствами.

Высокопрочный чугун используют в целях повышения прочности изделия. Механические свойства такого чугуна позволяют это сделать на отлично. Высокопрочный чугун получают из серого в результате добавление к массе примеси магния.
Ковкий чугун — это разновидность серого. Название не означает, что этот чугун легко подвергают ковке. Он обладает повышенными свойствами пластичности. Его получают помощью отжига из белого чугуна.
Различают так же половинчатый чугун. В нем некоторая часть углерода находится виде графита, а оставшиеся часть в форме цементита.

Особенные черты

Особенность чугуна кроется в процессе его производства. Средняя температура плавления разных видов чугуна составляет 1200ºС. Это значение на 300 градусов меньше, чем у стали. Связано это с очень высоким содержанием углерода. Углерод и атомы железа имеют между собой не очень тесную связь.

Когда идет процесс выплавки, углерод не может полностью внедриться в решетку железа. В результате чугун принимает свойство хрупкости. Его нельзя использовать для изготовления деталей, на которых будет постоянно действовать нагрузка.

Чугун относится к материалам черной металлургии. Его характеристики часто сравнивают со сталью. Изделия из стали или чугуна широко используются в нашей жизни. Их применение является оправданным. Проведя сравнение характеристик, можно сказать следующее об этих двух материалах:

Стоимость чугунных изделий ниже стоимости стальных.
Материалы отличаются по цвету. Чугун – это темный матовый материал, а сталь – светлый и блестящий.
Чугун легче, чем сталь поддается литью. Но сталь легче сваривается и куется.
Чугун менее прочный, чем сталь.
По весу чугун легче стали.
В стали содержание углерода, выше чем в стали.

Плюсы и минусы

Чугун, как и любой материал, имеет положительные и отрицательные стороны.

К плюсам чугуна относят:

Углерод в чугуне может находиться в разном состоянии. Поэтому этот материал может быть двух видов (серый и белый).
Определенные виды чугуна обладают повышенной прочностью, поэтому чугун иногда ставят на одну линию со сталью.
Чугун может достаточно долго сохранять температуру. То есть при нагреве тепло равномерно распределяется по материалу и остается в нем длительное время.
По экологичности чугун является чистым материалом. Поэтому его часто используют для изготовления посуды, в которой впоследствии готовится пища.
Чугун стоек в кислотно-щелочной среде.
Чугун обладает хорошей гигиеничностью.
Материал отличается достаточно долгим сроком службы. Замечено, что чем продолжительнее используется чугун, тем его качество лучше.
Чугун – долговечный материал.
Чугун – это безвредный материал. Он не способен нанести организму даже маленького вреда.

К минусам чугуна относят:

Чугун покроется ржавчиной, если на нем непродолжительное время будет находиться вода.
Чугун – дорогостоящий материал. Однако этот минус оправдан. Чугун очень качественный, практичный и надежный. Предметы, изготовленные из него, так же получаются качественными и долговечными.
Для серого чугуна характерна маленькая пластичность.
Для белого чугуна характерна хрупкость. Он в основном идет на переплавку.

Классификация чугунов

Характерной особенностью чугунов является то, что углерод в сплаве может находиться не только в растворенном и связанном состоянии (в виде химического соединения — цементита Fe 3 C), но и в свободном состоянии — в виде графита. В этом случае форма выделений графита и структура металлической основы (матрицы) определяют основные типы чугуна и их свойства.

Классификация чугуна с различными формами графита производится по ГОСТ 3443-77. Специально разработанные шкалы используются для оценки формы включений графита, их размера, характера распределения и количества, а также типа металлической основы.

Классификация чугуна проводится по следующим критериям:

по состоянию углерода — свободный или связанный;
в виде включений графита — пластинчатых, червеобразных, шаровидных, чешуйчатых (рис. 30);
по типу структуры металлической основы (матрицы) — ферритная, перлитная; также есть чугуны со смешанной структурой: например, ферритно-перлитные;
по химическому составу — чугуны нелегированные (общего назначения) и легированные (специальные).

В зависимости от формы выделения углерода в чугуне различают:

белый чугун, в котором весь углерод связан в виде цементита Fe 3 C;
полужирный чугун, в котором основное количество углерода (более 0,8%) находится в виде цементита;
серый чугун, в котором весь или большая часть углерода свободна в виде пластинчатого графита;
беленый чугун, в котором основная масса металла имеет структуру серого чугуна, а поверхностный слой белый;
ковкий чугун, в котором графит имеет сферическую форму;
ковкий чугун, полученный из белого путем отжига, в котором углерод переходит в свободное состояние в виде чешуйчатого графита.

Свойства и характеристики

Чугун обладает следующими свойствами:

Физическими. К этим характеристикам относятся: удельный вес, коэффициент линейного расширения, действительная усадка. Удельный вес меняется в зависимости от содержания в материале углерода.
Тепловыми. Теплопроводность материала принята рассчитывать по правилу смещения. Для твердого чугуна объемная теплоемкость равна 1 кал/см3*оС. Если чугун жидкий, то она равна примерно 1,5 кал/см3*оС.
Механическими. Эти свойства зависят от самой основы, а так же от размеров и формы графита. Самым прочным считается серый чугун с перлитной основой, а самым пластичным — с ферритной основой. Максимальное снижение прочности наблюдается при форме графита «пластинка», а минимальное – при форме «шар».
Гидродинамическими. Вязкость в чугуне меняется в зависимости от наличия марганца и серы. Так же она резко возрастает когда температура чугуна переходит точку начала затвердевания.
Технологическими. Чугун обладает отличными литейными свойствами, стойкости к износу и вибрации.
Химическими. По электродному потенциалу (по мере убывания) структурные составляющие чугуна располагаются в следующем виде: цементит — фосфидная эвтектика — феррит.

Отличия чугуна от стали по химическому составу и свойствам

На свойства чугуна влияют специальные примеси.

Так добавление серы позволяет существенно уменьшить жидкотекучесть и снизить тугоплавкость.
Добавление фосфора одновременно дает возможность создать изделие сложной формы, но не дает ему повышенной прочности.
Примесь в виде кремния делает температуру плавления не такой высокой и значительно улучшает свойства литья. Различное процентное содержания кремния позволяет создать разный чугун: от чисто-белого до ферритного.
Марганец ухудшает литейные и технологические свойства, но повышает прочность и твердость.

Помимо названных примесей в состав чугуна могут входить и другие компоненты. Тогда такие материалы будут называться легированными. Наиболее часто в чугун примешивают титан, хром, алюминий, никель и медь.

Далее вы узнаете, какие элементы входят в хим.состав чугуна.

О том, как сварить чугун электросваркой, расскажет видеоролик ниже:

Физический свойства

Чугун получил широкое распространение благодаря привлекательным физическим качествам:

Стоимость материала существенно ниже стоимости других сплавов. Именно поэтому его применяют для создания самых различных изделий.
Рассматривая плотность чугуна, отметим, что данный показатель существенно ниже, чем у стали, за счет чего материал становится намного легче.
Температура плавления чугуна может несколько различаться в зависимости от его структуры, в большинстве случаев составляет 1 200 градусов Цельсия. За счет включения в состав различных добавок температура плавления чугуна может существенно повышаться или уменьшаться.
При выборе материала многие уделяют внимание тому, что цвет чугуна может несколько отличаться в зависимости от структуры и химического состава.

Температура кипения чугуна также во многом зависит от химического состава. Для того, чтобы рассмотреть физические свойства материала, следует уделить внимание каждой его разновидности. Иная структура и химический состав становятся причиной придания иных физико-механических качеств.

Структура и состав

Если рассматривать чугун как структурный материал, то он представляет собой металлическую полость с графитными включениями. Структура чугуна это в основном перлит, ледебурит и пластичный графит. При этом у каждого вида чугуна эти элементы преобладают в разных пропорциях или отсутствуют совсем.

По структуре чугуны бывают:

перлитные,
ферритные и
ферритно-перлитный.

Графит присутствует в этом материале в одной из форм:

Шаровидная. Графит приобретает такую форму при добавлении присадки магния. Шаровидная форма графита характерна для высокопрочных чугунов.
Пластичная. Графит похож на форму лепестков. В такой виде графит присутствует в обычном чугуне. Этот чугун обладает повышенными свойствами пластичности.
Хлопьевидный. Графит приобретает такую форму в результате отжига белого чугуна. Графит в хлопьевидном виде находится у ковкого чугуна.
Вермикулярный. Графит названной форма находится у серого чугуна. Она была разработана специально для улучшения пластичных и прочих свойств.

Серый чугун

Серый (литейный) чугун

– сплав железа с графитом, который присутствует в виде пластин или волокон.

Серый чугун характеризуется высокими литейными свойствами (низкая температура кристаллизации, высокая жидкотекучесть, малая усадка) и служит основным материалом для литья. Широко применяется в машиностроении для отливки станин станков и механизмов, поршней, цилиндров.

Кроме углерода, серый чугун содержит в себе другие элементы. Важнейшие из них – кремний и марганец. В большинстве марок серого чугуна содержание углерода лежит в пределах 2,4-3,8%, кремния 1,0-4,0% и марганца до 1,4%.

Производство металла

Чугун производят в специальных доменных печах. Основное сырье для получения чугуна – это железная руда. Технологический процесс заключается в восстановлении оксидов железа руды и получении на выходе другого материала – чугуна. Для изготовления чугуна используются следующее топливо: кокс, природный газ и термоантрацит.

После восстановления руды железо имеет твердую форму. Далее его опускают в специальную часть печи (распар), где происходит растворение в железе углерода. На выходе получается жидкий чугун, который опускается в нижнюю часть печи.

Цена на чугун (за 1 кг) зависит от количества углерода в нем, от наличия дополнительных примесей и легирующих компонентов. Примерно цена тонны чугуна будет составлять 8000 рублей.

Влияние температуры на механические свойства чугуна

Общая закономерность влияния повышенных температур на механические свойства чугуна заключается в уменьшении показателей прочности, твердости и упругости с одновременным повышением до определенного предела пластичности и вязкости, после которого и эти свойства начинают понижаться. Сопоставляя механические свойства разных чугунов при кратковременных испытаниях, можно видеть (рис. 245), что прочность чугуна характеризуется минимумом при 150—250° С, но при 350—450° С уже мало отличается от прочности при нормальной температуре и только после этого начинает монотонно и интенсивно понижаться. Однако в высокопрочном чугуне эта аномалия (хотя и отмечена на рис. 245) обнаруживается реже. Причина образования указанного минимума окончательно еще не определена; предполагается, что это является следствием напряжений второго рода, образующихся из-за разницы в коэффициенте расширения цементита и феррита в перлите, магнитных превращений карбидов, выделения газов, дисперсионного твердения и других факторов. Вo всяком случае можно полагать, что частое отсутствие этого минимума на высокопрочном чугуне свидетельствует о том, что газам в этом вопросе принадлежит не последняя роль.

Весьма интенсивно и притом монотонно падает во всех чугунах модуль упругости, что для области температур до 700°С может быть, примерно, выражено формулой где E и Et — модуль упругости при нормальной н повышенной (t) температурах (°C);
а и в — коэффициенты, значение которых для высокопрочного чугуна составляют соответственно 0,0068*10в-2 и 0,0044*10в-4.

Вместе с тем, циклическая вязкость чугуна вовсе не изменяется при повышении температуры, что опровергает утверждения о строгой и однозначной связи между этим свойством и модулем упругости и свидетельствует о существовании более сложной зависимости.

Характер кривой изменения пластичности чугуна с температурой представляется сначала (до 400—500° С) почти горизонтальной, часто даже слегка ниспадающей кривой, за которой следует резкий подъем (рис. 245), достигающий максимума в области 800—1000° С, после чего наступает столь же резкое падение при более высоких температурах. Таким образом, вблизи эвтектической температуры все чугуны, как и другие сплавы, отличаются очень низкими значениями прочности, упругости и пластичности. Примерно так же изменяется и ударная вязкость чугуна, хотя соответствующая кривая зависимости от температуры носит более сложный характер в связи с разным изменением прочности и пластичности.

Особый интерес представляет горячая твердость, простота определения которой дает возможность оценить и соответствующую прочность чугуна, поскольку характер влияния температуры в обоих случаях приблизительно одинаков. Интенсивное падение твердости, которое начинается примерно с 430° С, может быть выражено формулой

где В — коэффициент смягчения, колеблющийся для температур выше перегиба в пределах (30/36)*10в-4 (меньшее значение соответствует серому чугуну, большее — ковкому и высокопрочному).

Влияние химического состава чугуна на его свойства при повышенных температурах в большинстве случаев примерно такое же, как при нормальной температуре. Уменьшение эвтектичности повышает кратковременную и длительную прочность серого чугуна, что обусловлено уменьшением количества и размельчением графита. Еще благотворнее сказывается компактная и шаровидная формы графита в ковком и высокопрочном чугунах (табл. 32) и примерно в том же соотношении, что и при нормальной температуре. При этом легирующие элементы так же или еще более полезны, чем при нормальной температуре. Наиболее эффективным из них является молибден, который повышает не только кратковременную и длительную прочность, как это видно из рис. 246, но и сопротивление ползучести чугуна. Максимум этого влияния проявляется при 1,5—2,0% Mo; как и при действии других элементов и факторов, оно уменьшается по мере повышения температуры, так что длительная прочность чугуна при 650° С уже мало зависит от легирования. Подобно молибдену благоприятно действуют, хотя и с меньшей интенсивностью, хром и никель, в частности путем присадки природно-легированного халиловского чугуна, как показано в табл. 33.

Влияние хрома особенно благоприятно в области высоких температур еще и по той причине, что он стабилизирует структуру.

При высоком же содержании графитизирующих элементов, в частности кремния, можно опасаться понижения прочности вследствие распада перлита. Однако медь в количестве около 0,5% в этих случаях весьма полезна, особенно в высокопрочном чугуне. При этом можно вновь отметить общую закономерность: чем выше температура, тем в меньшей степени влияет состав металла. Подтверждением этого, например, в отношении ковкого чугуна может служить рис. 247, из которого видно, что преимущества низкого содержания углерода проявляются только при температурах до 425°С. Однако легирование никелем, хромом, медью и молибденом, как видно из табл. 33 и других работ, например, все же сохраняет в ряде случаев свои преимущества в области повышенных температур, но главным образом при длительных испытаниях; при кратковременных же испытаниях это проявляется в малой степени. Указанное справедливо также для ползучести, которая проявляется на чугуне, начиная с 350—400° С. В этом случае высокопрочный чугун, особенно перлитный, имеет явные преимущества перед серым чугуном, хотя легирование может иногда и изменить это соотношение. И действительно, как видно из рис. 248, серый чугун, легированный молибденом и хромом, характеризуется при малых скоростях ползучести большим сопротивлением, чем нелегированный чугун с шаровидным графитом. Однако это не всегда наблюдается, и при больших скоростях ползучести высокопрочный чугун, даже ферритный, отличается более высокими свойствами, которые могут быть еще улучшены путем легирования и перлитизации структуры (рис. 248). Самыми же высокими свойствами в этом отношении характеризуются аустенитные никелевые чугуны (рис. 249) с пластинчатым и особенно с шаровидным графитом, несмотря на то, что при нормальной температуре они уступают по прочности обычным перлитным чугунам. Некоторые из этих чугунов, как видно из рис. 250, по кратковременной и длительной прочности весьма близки к аустенитной стали 1Х18Н9, хотя по сопротивлению ползучести они ей в значительной мере уступают. Проект ГОСТа на жаропрочный чугун, разработанный ЦНИИТмашем (табл. 34), предусматривает поэтому только аустенитные чугуны с шаровидным графитом, которые должны удовлетворять определенным требованиям по механическим свойствам при нормальной и повышенной температурах.

Скорость ползучести чугунов, приведенных в табл. 34, при 600° С за время 400—1200 ч при напряжении 4 кГ/мм2 составляет 1,0*10в-4, длительная прочность при 600° С составляет одл1400 = 12 кГ/мм4, а для марки ЧН19МШ эта прочность соответствует даже 2800 ч. Таким высоким свойствам аустенитных чугунов при повышенных температурах, несомненно, благоприятствует не только их химический состав, но и стабильность структуры.

Поэтому в указанных условиях также эффективны, хотя и в меньшей степени, чугуны со стабильным ферритом, например кремнистый чугун, ЖЧС-5,5 или превосходящий его по свойствам ЖЧСШ-5,5 с шаровидным графитом.

В общем же следует указать, что чугун вследствие высокого содержания углерода, даже при самых благоприятных структуре и составе, не отличается высокими жаропрочными свойствами и применим только в условиях сравнительно низких температур, обычно не выше 350—450° С.

В ряде случаев в условиях повышенных температур удовлетворительно работают также отливки из белого чугуна, чаще всего легированного хромом. На рис. 251 представлена для сравнения с аустенитными и перлитными чугунами горячая прочность белого высоколегированного чугуна типа хромэкс с содержанием 28—34% Cr (Х28Л и Х34Л по ГОСТу 2176—57). Чугуны Х28Л и Х34Л, как и перлитные, характеризуются более интенсивным падением прочности с ростом температуры, чем аустенитные чугуны. Пластичность этих чугунов, очень низкая при нормальной температуре, растет начиная с 400° С и достигает максимума (-100%) при температурах около 900— 1050° С, когда происходит превращение феррита в аустенит. Ударная вязкость также растет с повышением температуры и также достигает максимума в аустенитном состоянии, как это видно на рис. 251, а. Механические свойства высокохромистых чугунов в сильной степени зависят от химического состава и режима термообработки. Что касается состава, то наиболее важными элементами являются углерод и кремний: первый, как видно из рис. 251, б, повышает, а второй понижает прочность при высоких температурах, на пластические же свойства оба элемента действуют отрицательно.

Еще большее влияние на механические свойства этих чугунов оказывает термическая обработка, посредством которой можно получить аустенитную (1150° С воздух), мартенситную (1000 C —> воздух) или ферритиую (1000°С —> охлаждение в печи) структуры, а следовательно, и соответствующее изменение механических свойств. Кроме того, при термической обработке этих чугунов возможно также дисперсионное твердение (при 400—550° С) и образование о-фазы при 650—800° С, что отражается, конечно, на механических свойствах (табл. 35), причем в этом случае главным образом понижаются пластичность и вязкость чугуна.

Общая закономерность изменения механических свойств при пониженных температурах заключается в некотором повышении прочности и твердости и уменьшении пластичности и вязкости, но эти изменения значительно зависят от типа и структуры чугуна. В обычном сером (перлитном) чугуне они сравнительно невелики и в среднем составляют:

Как видно из этих данных, прочность перлитных чугунов повышается в небольшой степени при понижении температуры.

Ферритные же чугуны упрочняются в большей степени и меньше теряют свои пластические свойства, как это видно, например, из испытаний серого чугуна при -269° С:

Все свойства серого чугуна, в том числе и ударная вязкость, монотонно изменяются с понижением температуры без какого-либо скачка. Это объясняется, по-видимому, тем, что чугун при этих температурах находится уже в области ниже порога хрупкости. Преимущества ферритной структуры сохраняются также и у высокопрочного чугуна, о чем свидетельствуют следующие данные:

В то время как высокопрочный чугун с перлитной структурой значительно теряет в прочности при очень низких температурах, ферритный чугун теряет при этом только в пластичности, прочность же его значительно увеличивается.

Еще большие преимущества имеют аустенитные чугуны. Упрочнение происходит в этом случае более интенсивно, а ударная вязкость мало изменяется или даже повышается до температуры превращения и только потом уже резко падает. Так, например, для аустенитного чугуна с пластинчатым графитом и с температурой превращения -88° С найдено:

Примерно так же изменяются механические свойства ковкого и высокопрочного чугунов, только ударная вязкость их более резко падает при переходе через порог хрупкости, твердость же их при этом мало изменяется:

Особый интерес представляет изыскание чугунов с повышенной прочностью и достаточной пластичностью при очень низких температурах (-200° С или -269°, т. е. при температурах жидкого азота и гелия). Очевидно, что такой хладновязкий чугун должен быть высоконикелевым сплавом с аустенитной структурой, характеризующейся низко расположенным порогом хрупкости. Исследования показали, что такими свойствами обладает аустенитный чугун (2,44% С; 2,25% Si; 3,92 Mn; 22,0% Ni; 0,25% Cr и 0,12% Mg), характеризующийся следующими свойствами при низких температурах после нормализации с 900°С:

Особенно важно отметить, что ударная вязкость чугуна сохраняется высокой: даже после выдержки при -196° С в течение 2550 ч она была в пределах 4,2—4,8 кГ*м/см2 по Шарли, что свидетельствует о том, что даже при температуре -196° С чугун не перешел в хрупкое состояние. Весьма высокие свойства подобного рода показал также аустенитный высоконикелевый чугун (2% С; 1,8% Si; 0,5% Mn; 0,02% Р; 0,02% S; 30% Ni) с пластинчатым и шаровидным графитом при температуре -269° С:

В заключение следует отметить, что прочность аустенитных чугунов, как и ферритных, резко повышается при очень низких температурах, пластичность также сохраняется сравнительно высокой, так что эти чугуны в наибольшей степени пригодны для работы в указанных условиях.

Области применения

Чугун распространен во многих сферах.

Его используют для производства деталей в машиностроении. В основном из чугуна делают блоки для двигателей и коленчатые валы. Для последних требуется усовершенственный чугун, в который добавляют специальные добавки из графита. Благодаря устойчивости чугуна к трению из него делают тормозные колодки отличного качества.
Чугун может бесперебойно работать даже при сильно низких температурах. Поэтому его часто используют в производстве деталей машин, которым придется работать в жестких климатических условиях.
Хорошо зарекомендовал себя чугун в металлургической области. Его ценят за относительно небольшую цену и отличные литейные свойства. Изготовленные из чугуна изделия характеризуются отличной прочностью и износостойкостью.
Из чугуна делают большое множество сантехнических изделий. К ним можно отнести раковины, батареи, мойки и различные трубы. Особо славятся чугунные ванны и радиаторы отопления. Некоторые из них служат в квартирах по настоящее время, хотя приобретены были много лет назад. Чугунные изделия сохраняют свой первоначальный вид и не нуждаются в реставрации.
Благодаря хорошим литейным свойствам из чугуна получают настоящие произведения искусства. Его часто применяют в изготовлении художественных изделий. Например, таких как красивые ажурные ворота или памятники архитектуры.

Выбираете ванну? Не знаете, что лучше, чугунная или стальная? Тогда это видео поможет вам:

Ковкий чугун

Отличительной особенностью высокопрочного чугуна являются его высокие механические свойства за счет присутствия в структуре шаровидного графита, который в меньшей степени, чем пластинчатый графит в сером чугуне, ослабляет рабочий участок металлической основы и, что более важно, не оказывает на него сильного режущего действия, из-за чего концентраторы напряжений создаются вокруг включений графита в меньшей степени. Чугун с шаровидным графитом обладает не только высокой прочностью, но и пластичностью.

Получение шаровидного графита в чугуне достигается за счет модификации расплава добавками, содержащими Mg, Ca, Ce и другие редкоземельные металлы (РЗМ).

Химический состав и свойства высокопрочных чугунов регламентируются ГОСТ 7293-85 и обозначаются буквами «В» — высокопрочный, «Н» — чугун и цифрой, обозначающей среднее значение предела прочности при растяжении. чугун. Например, ВЧ 100 — высокопрочный чугун, предел прочности на разрыв 1000 МПа (или 100 кг / мм 2 ).

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом — наиболее перспективный литейный сплав, способный успешно решать задачу снижения веса конструкций при сохранении их высокой надежности и долговечности.

Высокопрочный чугун используется для изготовления ответственных деталей в автомобильной промышленности (коленчатые валы, шестерни, цилиндры и т. д.).