какого чугуна не существует

«Железное литьё» известно человечеству с незапамятных времен. В наше время оно широко используется во многих сферах народного хозяйства и носит название – чугун. И если о коленвалах, картерах редукторов, ступицах колес, арматуре обычный человек может и не знать, то о сковородках, чугунках, радиаторах, ваннах, решетках и других чугунных изделиях знают все.

Металлургическая промышленность производит разные простые и специальные виды чугуна, для каждого из которых существует своя сфера применения.

Особенности чугунов

Чугун – железоуглеродистый сплав, выплавляемый с использованием топлива из магнитного, красного или бурого железняка, с добавлением специальных неорганических веществ – плавней (флюсов).

Очень многие не видят принципиальных отличий между сталью и чугуном, ошибочно предполагая, будто это одно и тоже.

Оба продукта металлургии являются сплавами – состоят из нескольких компонентов, одним из которых является железо.

Чугун выступает сырьём для производства стали.

Технологические свойства:

Присутствие углерода:

Внешние отличия:

Различные физические характеристики

К минусам чугуна можно отнести:

У чугуна низкая себестоимость, он дешевле стали.

Добавки и примеси

Весь поставляемый чугун регламентирован ГОСТами по своему химическому составу и содержанию примесей. Чугунное литьё, помимо железа, имеет в себе некоторые «ингредиенты», влияющие на конечный продукт и добавляющие определенные особенности:

С целью улучшения исходного материала чугун легируют, то есть вводят различные легирующие добавки, изменяющие физические и/или химические свойства.

Чугуны с большим содержанием кремния и марганца в составе относят к легированным.

Классификация чугунов

Металлургическая промышленность выпускает разные виды чугуна. Сорт зависит от участвующих в сплаве форм графита или цементита и остальных компонентов.

Серый чугун (СЧ)

Обозначают буквами СЧ. На разрезе – серовато-черный, что обусловлено присутствием графита, этого природного цвета. В составе также присутствуют различные примеси, в том числе и кремний. Этот вид чугуна, свободно поддающийся резке и часто употребляющийся в машиностроительной отрасли для «неосновных» деталей, при добавлении фосфора становится жидкотекучим. Применим для всех видов литья, в том числе художественного.

Белый чугун

На разрезе светлый, благодаря присутствию карбида железа. Подвергается дальнейшей переработке на ковкий чугун и сталь. Поэтому сорт называют передельным. Свойства – хрупкость и твердость, слабо обрабатываемый, не годится для самостоятельного использования. Твердый, слабо подвержен обработке, хрупкий – такие свойства делают его непригодным для самостоятельного использования.

Ковкий чугун

Свойства – не поддаётся обработке давлением, но при этом обладает повышенной сопротивляемостью ударам и прочностью при растяжении. Ковкий чугун подходит для изготовления деталей усложненной конфигурации.

Высокопрочный

Маркируют буквами ВЧ. Получают при введении в серый жидкий чугун спецдобавок, для придания графиту сфероидальной формы. Высокопрочный вид чугуна применяют для изготовления ответственных деталей – шестерён, коленвалов, поршней, которые должны иметь высокую износоустойчивость.

Форма выпуска передельного и литейного видов – специальные формы – чушки. Современные технологии позволяют получить полуфабрикаты, квадратные, листовые, пластинчатые, брусковые заготовки разновидностей чугуна.

В зависимости от назначения и химсостава выделяют следующие разновидности чугуна:

Они имеют названия, соответствующие металлам-добавкам:

Легированные виды более всего востребованы в производстве агрегатов, механизмов, узлов и деталей, работающих в особо неблагоприятных средах и условиях.

Чугун, отличающийся увеличенным процентным включением ферромарганца или ферросилиция, относят к специальным – ферросплавам. Добавляются в сталеплавильном производстве для выделения кислорода – раскисления.

К легированным чугунам относят:

Жаростойкий вид маркируют буквами ЖЧ. Далее указывается буква обозначающая легирующий элемент. Например, ЖЧХ-2,5. Это жаростойкий чугун с добавлением хрома 2,5%.

К жаростойким относят марки: ЧН19ХЗШ.

К коррозионностойким: маркировка ЧНХТ, ЧН1МХД

Еще их называют специальными чугунами.

Производство

Технология промышленного извлечения железа из железосодержащего сырья и получение чугуна достаточно трудоёмкая и сложная. Нет смысла описывать все химические и технологические процессы и углубляться в терминологию. Изучить вопрос можно при желании в источниках по металлургии.

Чугун выплавляют из магнитного, красного, бурого железняка, на металлургических комбинатах, в специальных доменных печах. Топливом служит кокс, который частично могут заменять мазутом или газом.

Руда проходит предварительную подготовку, прежде чем попасть в доменную печь. Помимо руды и топлива, для плавки используют флюсы – известняки, необходимые для образования шлака и удаления серы из расплава.

Методы подготовки зависят от качества руды – это дробление, сортировка, окусковывание, обогащение и другие.

Пройдя все сложные процессы, руда превращается в шихту, которая непрерывно загружается в доменную печь.

Через фурмы в нижней части подается раскаленный воздух, обогащенный кислородом и природный газ, который сгорает под воздействием высоких температур, образуя диоксид кислорода. Поднимаясь выше, газ соединяется с кислородом и с еще не сгоревшим углеродом, преобразуясь в угарный газ СО. Он вступает в реакцию с оксидами железа, «отбирая» у них кислород.

В результате образуется почти чистый металл. Расплавленная чугунная масса стекает в горн. Несгораемые остатки также стекают вниз.

Готовый чугун сливают через определенные промежутки времени в специальные ковши.

Пока в печи идет процесс плавки, отверстие, через которое выпускают чугун, забивают специальной пробкой из тугоплавкой массы. Чтобы выпустить металл, в пробке пробивают отверстие. По специальным каналам в полу цеха поток расплавленного металла течет «красным сливом».

Жидкий шлак также выпускают из печи по другому каналу.

С каждой плавки берется проба. Металл заливают в специальную форму и делают анализ. Все процессы автоматизированы. За ними следят операторы.

А простому обывателю домна представляется гигантской пробиркой, в которой происходит «таинство» превращения железной руды в чугун.

Преимущества «железного литья»

Чугуны, как и любые материалы, имеют определенные плюсы и минусы, при эксплуатации различной продукции из них – запчастей к автомобилям, деталей станков, сантехнического оборудования и других изделий.

Основу черной металлургии в нашей стране составляет производство чугуна, стали и проката. Крупнейшим потребителем «железного литья» являются такие стратегически важные отрасли как металлообработка, машиностроение, строительство, транспорт, легкая промышленность, химическая и другие.

Железное литьё не сдает свои позиции и в производстве товаров народного потребления – чугунные котлы, сковородки, утятницы, ограды. Искусные мастера из этого металла создают самые настоящие произведения искусства – каминные решетки, ограды, скамейки, перила, украшая их ажурными чугунными кружевами.

Источник

Виды чугуна, классификация, состав, свойства, маркировка и применение

Определение

Чугуном называется смесь 2,14 % углерода с железом, полученная при термическом нагревании в доменных печах до 1200 градусов Цельсия. С помощью шестого элемента таблицы Менделеева железо в форме сплава приобретает увеличенную твердость, теряя пластичность и ковкость, делая данный материал хрупким.

Помимо углерода, для получения особых параметров, в металлическую матрицу, добавляются такие элементы, как Si, Mg, P, S. Также широко применяются легирующие агенты – Cr, V, Ni, Al.

История

Начиная с 18 века Великобритания занимает пальму первенства по производству чугуна в мире. Благодаря новой технологии Уилкинсона, к середине 19 века в этой стране производилось половина всего мирового объема.

Технология изготовления не стояла на месте, что позволило Соединенным Штатам в конце 19 века вырваться вперед.

В то время из этого сплава начали изготавливать рельсы, водопроводные и канализационные трубы, камины, и такие сложные инженерно-строительные сооружения, как мосты.

Процесс производства чугуна

Получение чугуна проводят в доменных печах. Этот процесс является достаточно энергоёмким и затратным производством. В качестве сырья используют 4 основных группы руд:

Технологический процесс проходит в несколько этапов

Сначала, в процессе подготовки, измельчают железную руду с содержанием оксидов железа (FeO и Fe2O3) не менее 40% от общей массы. Затем путем дробления, грохочения, усреднения, промывки, обогащения и обжига, избавляются от неметаллических примесей – S, P, As, и поднимают массовую долю основного металла в руде.

По окончанию, подготовительного этапа, загружают все компоненты в печь.

Доменная печь представляет собой непрерывно действующее металлургическое оборудование в виде шахты, массой 30 тысяч тонн. Доменная печь состоит из 5 элементов: верхней части в форме цилиндра – колошника, широкой конической части – шахты, широкой части – распары, зауженной части – заплечиков и нижней части – горна. Загрузка всех компонентов производится сверху через колошник, а готовый продукт и шлак раздельно выходят снизу из горна.

Одновременно с рудой в домну помещают коксующиеся угли, выполняющие функцию топлива. В процессе термического разложения углей образуются соединения углерода, участвующие в качестве восстановительного агента. Для ускорения процесса высвобождения металла из руды добавляется флюсы. Обычно это горные породы, содержащий оксиды кальция и магния.

После окончания этапа загрузки начинается процесс выплавки, когда загруженные компоненты превращаются в сплав, шлак и газ. Физико-химические реакции, протекающие при этом можно охарактеризовать как восстановительно-окислительные, так как происходит восстановление окислов железа и окисление восстановительного агента.

Процессы протекающие в печи

Процессы, протекающие в доменной печи можно описать следующими химическими уравнениями:

При нагревании кокса происходит выделение элементарного углерода, который с кислородом образует углекислый газ.

С + О2 = СО2 + выделение энергии

CO2 при нагревании дальше окисляется до оксида углерода, и восстанавливает элементарное железо из его оксидов в руде.

Fe2O3 + 3 CO = 2Fe + 3 CO2

После реакции восстановления, металл насыщается углеродом, а при достижении 1150-1200°С стекает уже в форме металлического компаунда в горн. Из остатков пустой руды и флюсов образуют отход — шлак, который непрерывно удаляется.

Состав серого чугуна и его структура

Параметры и свойства сплава напрямую зависят от режима охлаждения, дело в том, что именно во время охлаждения формируется структура материала.

В процессе медленного охлаждения происходит образование немалых кристаллов железа, а сочетание металла и углерода становится перлитным. В ходе такого охлаждения происходит не только увеличение размера кристаллов металла, но и углеродных включений. Такое сочетание приводит к тому, что перлитный материал имеет не только высокую прочность, но и повышенную хрупкость.

Оценка структуры СЧ определяет:

По строению металлической основы серые чугуны делят на:

Какая основа будет зависит от скорости охлаждения после затвердевания.

Для обозначения частей микроструктуры чугун этого типа используют терминологию определенную в ГОСТ 3443-87, например, пластинчатый графит обозначают буквами ПГ. Углерод включен в материал в следующих формах.

Первоочередную значимость для приобретения требуемых параметров чугунной отливки имеет его структура, именно поэтому при выполнении заготовок требуется тщательное выполнение технологии плавления и заливания сырья. Для обретения требуемых параметров серого чугуна и устранения дефектов применяют операцию модификации.

В составе СЧ, в зависимости от его марки, могут входить следующие вещества:

Основа — Fe (железо), остальное:

Допустимо легирование серого чугуна с использованием таких веществ как Cr, Ni, Cu, и некоторыми другими элементами.

Кремний в составе увеличивает графитизацию углерода. Марганец несмотря на то что затрудняет графитизацию, улучшает его механические свойства.

Химический состав СЧ определен в ГОСТ 1412-85. Серый чугун производят во многих странах мира, в США аналогом этого материала считается A48-30B, в Британии BS 200 или 220, в КНР GB HT 20, в Европейском союзе EN-JL1030 FG20.

Параметры чугуна

Плотность — 7,2 г/см3. Температура плавления составляет 1200 °С. Хрупкость и малая пластичность сплава обусловлена следующими факторами:

Именно по этим причинам, данный твердый металлический раствор нашел широкое применение в производстве деталей, обладающих высокой прочностью. Однако, он не подходит для продукции, подвергающейся нагрузкам, значения которых быстро изменяются во времени.

Классификация чугунов

Существуют несколько видов классификации чугунов.

Маркировка

По Гостам, все существующие марки обозначаются 2 буквами и 2 числами, при этом числа отражают значения временного сопротивления (кгс/мм2) и относительного удлинения (%). К примеру, цифры в марке КЧ-30-6, показывают временное сопротивление — 30 кгс/мм2 и относительное удлинение — 6 %.

Путем введения в состав специальных добавок, модифицируют состав сплава. Тогда к названию марки прибавляется буква М.

Основные характеристики

Чугун широко распространен и востребован черной металлургией. Его производят путем воссоздания железной руды при поддержке углеродного топлива (кокса). В процессе реакции восстановления, полученный расплав получает дополнительную порцию углерода.

Именно, объем углерода, находящийся в свободном состоянии, определяет механические параметры этого чугуна. Одно из свойств, позволяющее применять этот материал не только как передельный металл, но и как литьевой – это довольно высокие литейные качества и малая усадка при застывании отливки. У серого чугуна отмечается высокая текучесть, и это позволяет отливать довольно сложные изделия.

Существует и ограничение на применение изделий полученных из этого чугуна – оно обусловлено тем, этот материал имеет невысокую прочность на изгиб и высокую хрупкость. Но с другой стороны, его отличает высокая прочность на сжатие.

Этот материал отличает и стойкость к износу. Это допускает применять его в узлах, работающих в условиях высокого трения. В таких условиях сильное воздействие оказывают антифрикционные параметры серого чугуна.

Большой объем углерода понижает плотность серого чугуна, она равна от 6,8 до 7,3 тонны на м3.

Включения углерода не позволяют выполнять неразъемные соединения из заготовок, выполненных из серого чугуна, с помощью сварки. Но, тем не менее, разработаны и применяют технологии сварочных работа, которые можно проводить при соблюдении ряд условий. В этот набор входят предварительный нагрев заготовок, применение специализированных электродов с высоким содержанием углерода. Плавное охлаждение шва, это необходимо для удаления напряжений в сварном шве. Но в любом случае, его структура заметно отличается от основного материала.

Области использования

Применение различных марок чугуна зависит от металлургического компаунда и его эксплуатационных характеристик.

Белый вид используется в производстве нагревательных элементов и бытовой сантехники (ванн, раковин), а также является сырьем для получения ковких разновидностей твердых растворов.

Серый — входит в состав различных элементов двигателей для машиностроительной отрасли.

Ковкий – при изготовлении тормозных колодок и деталей для промышленного измельчительного оборудования. Кроме того, он имеет широкое применение в текстильной промышленности при отливке запасных частей сложной формы для оборудования. Применяется КЧ при изготовлении кухонной посуды, элементов интерьера, уличных фонарей, перил для лестниц.

Высокопрочный сорт применяется при производстве труб, фитингов для водоснабжения, канализации, нефтедобывающего производства. Кроме того, из него делают секционные радиаторы, эксплуатируемые в системах центрального отопления жилых домов и административных зданий.

Из ферромагнитного типа изготавливают электрощиты и другие составляющие электротехнического оборудования, а немагнитный его тип наоборот используется в качестве электроизолирующего материала.

В огромном количестве чугун используется как сырье на сталелитейных предприятиях.

Свойства

Интересные факты

По мнению профессора Мариенбаха, свое название чугун получил от китайского слова – «чжугун», что в переводе означает «литейщик».

Чугунная посуда издавна используется по всему миру и очень удобна для приготовления различных видов пищи.

Неотъемлемым атрибутом русских народных сказок является печь, в которой в чугунке – сосуде определенной формы и отлитой из данного сплава, герои варили главное блюдо – картошку в мундире.

Самые лучшие блины получаются на чугунной сковородке.

До появления электрических утюгов, хозяйки использовали тяжелые чугунные утюги, с идеально гладкой подошвой нагревая её до красна, над источником огня.

Следующим этапом, были угольные чугунные утюги по своей конструкции напоминающие маленькие печки. Для их разогрева внутрь помещали березовый уголь. Такой утюг даже имел трубу для получения необходимой тяги.

Известные нам с детства канализационные люки для смотровых колодцев имели круглую форму, отливались из чугуна и были впервые изготовлены сто пятьдесят лет назад.

Производство чугуна во всем мире в 2015 году составило более 898 млн. тонн, что на 3% меньше чем в 2008 году.

Прочие показатели

Что касается разделения чугунов по прочности, то здесь применяется следующая классификация:

По пластичности чугуны разделяются на:

В заключение также хотелось бы обязательно отметить, что на свойства любого чугуна довольно существенное влияние оказывает даже форма и характер заливки.

Источник

Чугун. Виды, классификация, характеристики чугунов.

1. Классификация чугунов

Чугун, выплавляемый в доменных печах, по своей физико-химической природе может быть различным в зависимости от перерабатываемой железной руды.

Практика показала, что если железная руда в своем составе имеет высокое содержание марганца, то получается чугун со структурой цементита. Этот чугун получил название белого. Белый чугун является основным сырьем в производстве стали. В связи с этим он получил название передельного чугуна.

Если чугун имеет структуру перлит + ледебурит или ледебурит + цементит, то такой чугун называется половинчатым.

Если переплавляется железная руда с низким содержанием марганца, но с высоким содержанием кремния, то выплавляемый в доменных печах чугун будет иметь структуру феррит + перлит. Такие чугуны получили название литейных серых чугунов.

Белый передельный чугун идет на переработку в сталь в конвертерах, дуговых и индукционных печах, а также мартеновских печах. Из половинчатого чугуна путем длительного отжига получают ковкий чугун. Высокопрочные и специальные чугуны получают путем введения в литейный серый чугун модификаторов, находящихся в расплавленном состоянии. Литейный серый чугун используют в основном при производстве отливок для машиностроения и станкостроения.

Кроме указанных групп чугунов в последнее десятилетие XX в. в России (ОАО «Тулачермет») освоен выпуск чугуна с повышенной чистотой по содержанию вредных примесей и других химических элементов. Этот чугун получил название нодулярного чугуна (например, ПВК-Н — чугун повышенного качества нодулярный).

2. Белый чугун

Белый чугун получается при переработке железных руд с повышенным содержанием марганца. В изломе этот чугун имеет мелкозернистое или игольчатое строение матово-белого цвета. Весь углерод, как правило, с массовой долей 6,67 % находится в химически связанном состоянии в форме цементита в поверхностных слоях отливки.

Белый чугун очень хрупкий, практически не поддается обработке резанием, его твердость достигает 700 … 800 НВ. Из-за высокой твердости и хрупкости белый чугун как конструкционный материал прямого применения не имеет. В некоторых случаях свойства высокой твердости и износостойкости структуры белых чугунов (цементита) создают искусственно в поверхностных слоях деталей. Эта операция называется отбеливанием поверхности деталей и отливок. Операция отбеливания достигается высокой скоростью охлаждения. Например, с целью получения высокой твердости на глубину до 5 мм отбеливают поверхность валков прокатных станов, лемехи плугов, шары мельниц, коленчатые валы дизелей и другие детали.

Структура белого чугуна неустойчивая. При высоких температурах цементит распадается на аустенит и свободный углерод (графит). Температура плавления белого чугуна составляет 1 600 °С.

Белый чугун выпускается в виде чушек весом 40 кг, которые идут на производство стали в мартеновских и других печах, или в жидком состоянии (в этом случае чугун хранится в специальных емкостях (миксерах), из которых затем поступает в конвертеры для производства стали).

Половинчатый чугун — это низкосортный белый чугун, в котором часть углерода находится в химически связанном состоянии в виде цементита, а часть — в виде свободного углерода (графита) или механических смесей в зависимости от массовой доли углерода (рис. 1). Так, чугун с массовой долей углерода, равной 4,3 %, — эвтектический, имеет структуру ледебурита (механическая смесь цементита и феррита). Заэвтектический чугун (более 4,3 % углерода) имеет структуру перлит + цементит + графит. Доэвтектический чугун (менее 4,3 % углерода) имеет структуру перлит + ледебурит + графит.

Половинчатый чугун имеет очень высокие механические свойства, но хрупкий, поэтому этот чугун прямого применения в литейном производстве не находит.

Рис. 1. Микроструктура половинчатого чугуна: 1 — перлит; 2 — цементит; 3 — ледебурит

Благодаря наличию в структуре свободного углерода, а также неустойчивых структур ледебурита и цементита половинчатый чугун является сырьем для производства ковких и специальных чугунов.

3. Литейный серый чугун

Литейный серый чугун свое название получил благодаря высоким литейным свойствам (жидкотекучесть и низкая усадка), а также из-за темно-серого цвета. В изломе имеет крупнозернистое строение. Мягкий, хорошо подвергается обработке резанием. Твердость литейных серых чугунов составляет 140 … 260 НВ. Предел прочности при растяжении σ_в  100 … 450 МПа (10 … 45 кгс/мм2). Относительное удлинение δ  0,2 … 0,5 %. В отечественном машиностроении до 74 % всех ответственных отливок получают из литейного серого чугуна. По микроструктуре литейные серые чугуны подразделяются на ферритно-графитные, ферритно-перлитные и перлитные (рис. 2). Углерод в этих чугунах находится в свободном состоянии в виде графита. Чем больше массовая доля углерода, тем больше в сером чугуне структуры графита и ниже его механические свойства, поэтому максимальное содержание углерода ограничено его доэвтектическими пределами, т. е. не более 4 %, а практически до 3,7 %.

Снижение содержания углерода понижает его литейные свойства. В связи с этим устанавливается нижний предел по массовой доле углерода. Он равен примерно 2,2 %. Нижний предел принимается для толстостенных отливок, верхний — для тонкостенных.

Доменные цеха выпускают серый чугун в виде чушек, которые поставляются в литейные цеха машиностроительных заводов.

Литейный серый чугун состоит из железа, углерода, а также других химических элементов, поэтому не является двухкомпонентным сплавом. Кроме углерода в своем составе он содержит кремний, марганец, серу и фосфор. Кремний и марганец влияют на процесс графитизации, образование микроструктуры и механические и технологические свойства отливок из серого чугуна.

Углерод влияет на свойства чугуна в зависимости от формы соединения с железом, т. е. от структуры, которая образуется в сплаве. На образование структур в совокупности влияют условия плавки и охлаждения, а также наличие сопутствующих химических элементов: марганца, кремния и незначительно серы и фосфора. Кремний с массовой долей 3 … 5 % в серых чугунах способствует выделению углерода в виде графита. Изменяя массовую долю кремния, можно получить отливки с различной структурой, а с изменением структуры изменяются и механические свойства чугуна. Например, чугун со структурой в виде пластинчатого графита имеет относительное удлинение δ = 0,2 … 1,1 %, а чугун со структурой графита хлопьевидной формы имеет относительное удлинение δ = 5… 10 %. Кремний способствует образованию микроструктуры графита, придает чугуну ряд ценных механических, технологических и эксплуатационных свойств, улучшает обрабатываемость резанием. Кроме того, графитовые включения (пористые, мягкие) быстро гасят вибрации, колебания и рассеивают по массе несущих деталей ударные нагрузки. Детали из чугуна нечувствительны к механическим повреждениям. Благодаря структуре графита серый чугун обладает высокими антифрикционными свойствами. В этом случае графит действует как смазывающее вещество. Благодаря перечисленным свойствам кремний является постоянным и обязательным элементом в литейных серых чугунах.

Рис. 2. Микроструктуры литейных серых чугунов: а — ферритно-графитная; б — ферритно-перлитная; в — перлитная

Марганец препятствует графитизации чугуна, отбеливает его, способствует образованию структуры измельченного перлита (феррит + цементит), улучшая механические свойства. Массовая доля марганца в серых чугунах колеблется в пределах 0,2 … 1,1 %, при этом прочность, износостойкость и твердость повышаются. При большем содержании марганца происходит уменьшение структуры перлита и феррита, увеличение структуры цементита, и чугун становится твердым, но хрупким.

Сера — вредная примесь. Она оказывает отрицательное действие на механические и литейные свойства серых чугунов, понижает жидкотекучесть, увеличивает усадку, способствует образованию трещин. Массовая доля серы для мелкого литья — 0,08 %, для крупного литья, в котором не требуется повышенная жидкотекучесть, — 0,10 … 0,12 %.

Фосфор в литейных чугунах является полезной примесью, так как он увеличивает жидкотекучесть. Кроме того, фосфор способствует образованию такой структуры, которая повышает общую твердость и износостойкость отливок. Высокое содержание фосфора (до 0,7 %) повышает хладостойкость чугуна, поэтому в отливках, работающих при нагрузках, массовая доля фосфора может достигать 0,3 %, а в отливках, работающих без нагрузок (художественное и бытовое литье), — 0,7 %.

На образование микроструктуры и графитизацию фосфор влияния не оказывает. На практике по структурным диаграммам в зависимости от массовой доли углерода и кремния в чугуне определяют его приблизительную микроструктуру в отливках с толщиной стенок 50 мм.

Согласно ГОСТ 1412—87 существуют следующие марки серого чугуна: СЧ10, СЧ15, СЧ18, СЧ20, СЧ21, СЧ24, СЧ25, СЧ30, СЧ35, СЧ40 и СЧ45, где буквы СЧ означают литейный серый чугун, а цифры — предел прочности при растяжении. Например, чугун марки СЧ15 имеет прочность при растяжении 150 МПа (15 кгс/мм2).

Таким образом, литейные серые чугуны имеют высокие механические свойства (σ_в — до 450 МПа (45 кгс/мм2) и также высокие технологические свойства (литейные свойства, обрабатываемость резанием и др.). Кроме того, как уже отмечалось, литейный серый чугун обладает способностью гасить и рассеивать вибрации и нагрузки. Это свойство называется демпферным свойством. Оно широко используется в станкостроении. Из литейного серого чугуна, обладающего демпферным свойством, отливают станины станков, машин и другие несущие конструкции, которые позволяют создавать точность и жесткость системы станок—приспособление — инструмент— деталь (СПИД).

Главными технологическими свойствами являются высокая жидкотекучесть и обрабатываемость резанием. Отливки из литейного серого чугуна хорошо поддаются обработке на различных металлорежущих станках: точению, фрезерованию, строганию, сверлению, шлифованию и шабрению. В связи с широким диапазоном механических свойств (прочности и твердости) этот чугун находит применение в различных отраслях экономики. Например, низкосортный серый чугун применяется для изготовления отливок, работающих без нагрузок (бытовое и художественное литье, грузы, подставки, крышки, пробки, плиты, фланцы и др.). Литейный серый чугун с пределом прочности 200 МПа и более применяется для отливок деталей, работающих при средних нагрузках (трубы, станины, кронштейны, корпуса редукторов и др.). Чугун с пределом прочности 300 МПа и более применяется для деталей, работающих при высоких нагрузках (корпуса подшипников, шкивы, зубчатые и червячные пары, блоки цилиндров, головки блоков, поршни, диски сцепления, корпуса насосов, цилиндры паровых турбин, коленчатые валы, звездочки, тормозные барабаны и др.).

4. Ковкий чугун

Ковким чугуном называют чугун, полученный из белого (половинчатого) чугуна путем длительного отжига (томления). Схема получения ковкого чугуна представлена на рис. 3.

Рис. 3. Схема получения ковкого чугуна путем отжига (томления) половинчатого чугуна: 1 — кривая получения ковкого ферритного чугуна; 2 — кривая получения ковкого перлитного чугуна; t — температура; τ — время; Ас₁ — критическая температура (эвтектоид)

Процесс получения ковкого чугуна заключается в следующем. В вагранках или электропечах расплавляют низкосортный (половинчатый) белый чугун, затем разливают его в земляные или металлические формы. После охлаждения отливки удаляют из форм и помещают в ящики с измельченной железной рудой или окалиной. Ящики нагревают в печах до температуры 900 … 1 000 °С, выдерживают 6 —10 сут. В процессе этой термической операции (томления) углерод из цементита диффундирует к поверхности детали, превращаясь в свободный углерод в виде графита (углерод отжига), а часть его выгорает.

В настоящее время внедрена технология ускоренного отжига отливок белого чугуна на ковкий чугун. Суть этой технологии заключается в проведении предварительной термической обработки отливок: нормализации или закалки и отпуска. Этими операциями достигается возможность получения большего числа центров кристаллизации, что приводит к более быстрому распаду цементита в углерод отжига и значительно уменьшает продолжительность процесса получения ковкого чугуна.

Закалку проводят при температуре 820 … 950 °С и охлаждают в минеральном, веретенном или трансформаторном масле. Отпуск проводят при температуре 400 °С. При второй стадии окончательного отжига при температуре 950 °С продолжительность сокращается до 5 ч.

В практике применяют также ступенчатый отжиг: отливки охлаждают с 950 до 760 °С в течение 2 … 3 ч, с 760 до 680 °С в течение 8 … 10 ч, затем осуществляют охлаждение на воздухе.

Современное ускоренное получение ковкого чугуна осуществляется в две стадии. Первая стадия — нагрев отливок в соляных ваннах или расплавленных металлах при 1 050 … 1 100 °С и выдержка 1 … 2 ч; вторая — нагрев до 700 °С и выдержка в течение 4 ч. Весь процесс также длится 5 … 7 ч. В результате отжига в отливках структура ледебурита и цементита переходит в структуру графита хлопьевидной формы (углерод отжига). По сравнению с исходным чугуном твердость отливок ковкого чугуна понижается, хрупкость устраняется, прочность повышается, и отливки приобретают высокую пластичность (до 12 %) и ударную вязкость. Благодаря высокой пластичности этот чугун получил название ковкого чугуна, однако ковке этот чугун не подвергается, особенно его нельзя ковать (деформировать) в горячем состоянии, так как по границам зерен в горячем состоянии чугун приобретает хрупкость, появляются микротрещины. После ковки отливки становятся хрупкими. Отливки из ковкого чугуна подвергаются незначительному деформированию в холодном состоянии, гнутся, вытягиваются, рихтуются.

Структура ковкого чугуна в виде хлопьевидного графита обладает более высокой твердостью, прочностью и пластичностью по сравнению с серыми литейными чугунами. Как показала практика, отливки из половинчатого чугуна, подвергаемые отжигу на ковкий чугун, должны быть диаметром не более 40 … 50 мм. При сечении более 50 мм в сердцевине образуется очень твердая и хрупкая структура пластинчатого графита.

Отливки из ковкого чугуна имеют следующее содержание примесей: углерода — 2,4 … 2,9 %, кремния — 1,0 … 1,6 %, марганца — 0,2 … 1,0 %, серы — до 0,2 % и фосфора — до 0,18 %.

Структура в отливках ковкого чугуна в зависимости от режимов отжига может быть ферритной или ферритно-перлитной (рис. 4). Структуру феррита и углерода отжига получают ступенчатым отжигом. Отливки, полученные при ступенчатом отжиге, имеют пластичность до 12 %.

Рис. 4. Микроструктуры ковкого чугуна: а — ферритная (черно-сердечная); б — ферритно-перлитная (светло-сердечная)

Отливки на ковкий перлитный чугун производят путем длительного отжига при температуре примерно 1 000 °С. После первой стадии графитизации проводят медленное непрерывное охлаждение до нормальной температуры. После охлаждения в отливках образуется структура перлита и углерода отжига. Структура перлита обусловливает более высокие механические свойства деталей, прочность и твердость. Во время отжига в отливках снимаются литейные напряжения.

Согласно ГОСТ 1215—79** выпускают следующие марки ковкого чугуна: КЧ 30-6, КЧ 30-8, КЧ 35-10, КЧ 37-12, КЧ 45-7, КЧ 50-3, КЧ 50-4, КЧ 60-3, КЧ 65-3, КЧ 70-2, КЧ 80-1,5, где КЧ — ковкий чугун; первые цифры обозначают предел прочности при растяжении, цифры после дефиса — относительное удлинение.

Ковкие чугуны идут на изготовление деталей небольших сечений, работающих при тяжелых условиях: абразивном изнашивании, ударных и знакопеременных нагрузках, в автомобильном, тракторном и текстильном машиностроении, котло-, вагоно- и дизелестроении.

Высокая прочность и плотность отливок ковкого чугуна дает возможность их широкого применения в качестве водопроводных, газопроводных установок и аппаратуры.

Недостаток ковких чугунов — это высокая стоимость отливок из-за длительного отжига и металлургических агрегатов со специальным оборудованием.

Для изменения микроструктуры отливок из ковкого чугуна после механической обработки их подвергают различным видам термической обработки: нормализации, закалке и последующему отпуску. В процессе термической обработки меняется металлическая основа отливок, после чего повышаются твердость, износостойкость, прочность и ударная вязкость.

5. Высокопрочный чугун

Отечественная наука и практика разработали технологию получения отливок из серого литейного чугуна со структурой в виде шаровидного графита. Этот чугун, по сравнению с обычным серым литейным чугуном, обладает высокими механическими свойствами, сочетая в себе свойства стали и чугуна. Конструкционный материал, применяемый для литья деталей и изделий со структурой шаровидного графита, получил название высокопрочного чугуна. Технология получения высокопрочного чугуна заключается в следующем. Перед разливкой в форму в жидкий чугун, находящийся в разливочном ковше, вводят присадки магния в пределах 0,03 … 0,07 % от общей массы расплава. Этот процесс называется модифицированием. Модифицирование чистым магнием вызывает вспышку, поэтому магний вводят в испаритель (металлические или графитовые коробки с отверстиями) в виде лигатуры — сплавов магния с кремнием или никелем. В процессе модифицирования литейного серого чугуна в расплавленном состоянии при охлаждении отливок изменяется микроструктура (рис. 5).

Рис. 5. Микроструктура чугуна до модифицирования — перлит (а) и после модифицирования — шаровидный графит (б)

Получаемая микроструктура шаровидного графита не ослабляет металлические основы отливки. После модифицирования в чугунных отливках в несколько раз увеличивается твердость, прочность и ударная вязкость по сравнению с исходным материалом.

По ГОСТ 26358—84 выпускаются следующие марки высокопрочного чугуна: ВЧ 38-17, ВЧ 42-12, ВЧ 45-5, ВЧ 50-2, ВЧ 50-7, ВЧ 60-2, ВЧ 70-2, ВЧ 80-2, ВЧ 100-2, ВЧ 120-2. Буквы ВЧ означают высокопрочный чугун, цифры после букв — предел прочности при растяжении, через дефис — относительное удлинение. Например, чугун ВЧ 50-2 имеет предел прочности при растяжении σ_в = 500 МПа (50 кгс/мм2), а относительное удлинение δ = 2 %.

Отдельные марки высокопрочного чугуна имеют твердость до 370 НВ, предел прочности при растяжении σ_в = 1 200 МПа (120 кгс/мм2).

Государственный стандарт предъявляет требования к механическим свойствам отливок из высокопрочного чугуна в зависимости от марок по следующим характеристикам: предел прочности при растяжении, предел текучести и относительное удлинение.

Для улучшения механических свойств отливки из высокопрочного чугуна подвергают различным видам термической обработки: закалке с последующим отпуском, отжигу и нормализации. Отливки из высокопрочного чугуна имеют высокую обрабатываемость резанием.

Массовая доля химических элементов в высокопрочных чугунах следующая: углерода — 2,7 … 3,6 %, кремния — 1,5 … 3,8 %, марганца — 0,3 … 0,7 %, серы — 0,01 … 0,02 %, фосфора — 0,1 %. Массовая доля этих элементов колеблется в зависимости от сечения отливок.

По структуре высокопрочные чугуны бывают ферритные (феррит + шаровидный графит), ферритно-перлитные (феррит + перлит + шаровидный графит) и перлитные (перлит + шаровидный графит). На рис. 5, а представлена микроструктура серого литейного чугуна марки СЧ30 (σ_в = 300 МПа (30 кгс/мм2), твердость — 181 … 255 HB) до модифицирования, на рис. 5, б — микроструктура отливки, полученная после модифицирования серого литейного чугуна марки СЧ30 — высокопрочный чугун марки ВЧ 70 (σ_в = 700 МПа (70 кгс/мм2), твердость — 229 … 300 HB). Как видим, модифицирование серого литейного чугуна в процессе отливки изделий резко улучшает механические характеристики отливок.

Высокопрочные чугуны имеют высокие литейные свойства: жидкотекучесть практически всех марок высокопрочных чугунов — до 600 мм, усадка в отливках — до 1 мм. Ликвация у этих чугунов практически отсутствует. Кроме того, отливки из высокопрочных чугунов имеют высокую обрабатываемость резанием (точением, фрезерованием, шлифованием и др.), высокие упрочняемость и прокаливаемость. С целью изменения (исправления) структуры отливки из высокопрочных чугунов подвергаются различным видам термической обработки.

Важным эксплуатационным свойством деталей, изготовленных из высокопрочных чугунов, является их прирабатываемость в узлах трения и давления (траверса пресса, шобот ковочного молота и т. д.). В турбостроении из высокопрочного чугуна изготавливают корпуса паровых турбин, лопатки направляющих аппаратов, в тракторо- и дизелестроении — коленчатые валы, поршни и др. Например, коленчатый вал легкового автомобиля «Волга» отливают из высокопрочного чугуна марки ВЧ 70-2. При модифицировании магнием в этот чугун добавляют ферросилиций, который придает детали свойства стали и чугуна.

Высокопрочные чугуны находят широкое применение в автотранспортном машиностроении, в производстве прокатного, кузнечно-прессового, подъемно-транспортного и камнедробильного оборудования взамен крупногабаритного стального литья, поковок и штамповок весом до 48 т (табл. 1).

6. Специальные чугуны

К специальным чугунам относятся чугуны, которые кроме механических и технологических свойств имеют высокие износостойкость, теплостойкость, химическую стойкость, магнитные и другие свойства. Специальные чугуны получают путем добавок в расплавленный жидкий чугун различных легирующих элементов в зависимости от требуемых специальных свойств: марганца, кремния, никеля, хрома, алюминия и др. В настоящее время выпускаются антифрикционные и легированные (жаропрочные, жаростойкие, электротехнические, магнитные и кислотостойкие) чугуны.

Антифрикционные чугуны. По ГОСТ 1585—85 выпускаются следующие марки антифрикционных чугунов: АЧС-1, АЧС-2, АЧС-3, АЧС-4, АЧС-5, АЧС-6, АЧВ-1, АЧВ-2, АЧК-1, АЧК-2.

В обозначении марок приняты следующие сокращения: АЧ — антифрикционный чугун; С — серый чугун с пластинчатым графитом; В — высокопрочный чугун с шаровидным графитом; К — ковкий чугун с компактным графитом. Цифры в маркировке чугунов соответствуют степени легирования.

Отливки из антифрикционного чугуна предназначены для работы в паре в узлах трения со смазкой (подшипники скольжения). Антифрикционные чугуны представляют собой железоуглеродистый сплав с твердой металлической основой (матрицей) и мягкими графитовыми включениями, которые создают пористость.

Благодаря пористости вкладыша в подшипниках длительное время удерживается смазка.

По структуре антифрикционные чугуны бывают с пластинчатым, шаровидным и хлопьевидным (компактным) графитом.

В поры, образуемые разнообразной структурой, постоянно поступает смазывающее вещество и благодаря своей консистенции под действием вращения вала растекается по всей плоскости. Таким образом, между валом и поверхностью подшипника образуется граничная смазка, которая обеспечивает постоянный режим жидкостного трения.

Для устранения износа вкладыша подшипника и вала антифрикционный чугун выбирают так, чтобы твердость вкладыша была ниже твердости вала.

Основными достоинствами антифрикционных чугунов являются их низкая стоимость и высокая механическая прочность, что позволяет их использовать в узлах трения с большими нагрузками.

Как недостаток следует отметить низкую стойкость к ударам, низкую прирабатываемость, что при незначительных недостатках смазывающих веществ приводит к быстрому износу и выходу из строя узла трения.

Применение антифрикционного чугуна предусматривает следующие условия:

При соблюдении этих требований подшипниковый узел из антифрикционного чугуна обеспечит надежность и долговечность работы механизма.

Легированные чугуны. По ГОСТ 7769—82 выпускаются легированные чугуны для отливок со специальными свойствами (жаростойкие, коррозионно-стойкие, износостойкие, жаропрочные, магнитные, немагнитные) следующих групп: хромистые, кремнистые, алюминиевые, марганцовистые, никелевые и др.

Приведем некоторые марки легированных чугунов: ЧХ1, ЧХ2, ЧХ16, ЧХ28, ЧС5, ЧС15, ЧЮ7С5, ЧЮ30, ЧГ6С3Ш, ЧН11Г7Ш, ЧН20Д2Ш и др., всего приблизительно 40 марок.

В маркировке чугунов приняты следующие обозначения: Ч — чугун; легирующие элементы обозначаются буквами: Х — хром, С — кремний, Г — марганец, Н — никель, М — молибден, Д — медь, Т — титан, П — фосфор, Ю — алюминий; буква Ш указывает на то, что структура чугуна имеет шаровидную форму. Цифры, стоящие после букв, обозначают примерное процентное содержание легирующих элементов.

Легированные чугуны обладают высокими механическими свойствами. Твердость отдельных марок достигает 400 … 500 НВ, предел прочности при растяжении σ_в  400 … 600 МПа. Теплостойкость легированных чугунов достигает 1 000 °С.

Легированные чугуны нашли широкое применение в различных отраслях машиностроения, электрических машинах, постоянных магнитах, деталях, работающих при высоких температурах, в среде активных газов, кислотах и щелочах. Кроме того, специальные легированные чугуны применяются в доменных и термических печах, агломерационных машинах, пресс-формах для стекольных изделий, кокилей, в насосах для перекачки абразивных смесей и активных жидкостей и другого различного оборудования, работающего в газовых средах, при высоких температурах и больших нагрузках.

Рабочая температура, как правило, составляет 500 … 700 °С, а отдельные марки выдерживают до 900 … 1 000 °С. Например, легированный чугун марки ЧХ30 обладает кислотостойкостью, жаростойкостью и жаропрочностью при температуре до 1 100 °С. Кроме того, этот чугун устойчив в сернистых средах против абразивного износа и идет на изготовление деталей печей обжига сернистых руд, сопел песко- и дробеметных установок, деталей алюминиевых электролизеров, химической аппаратуры.

Чугун марки ЧХ1 обладает повышенной коррозионной стойкостью в газовой, воздушной и щелочной средах в условиях трения и абразивного изнашивания. Из него делают холодильные плиты доменных печей, колошники агломерационных машин, детали газотурбинных двигателей и др.

Чугун марки ЧХ3Т имеет повышенную стойкость против абразивного изнашивания в пылепроводах, насосах, идет на изготовление износостойких деталей гидромашин, футеровки пылепроводов и др.

Чугуны могут быть низколегированными и высоколегированными и имеют широкий диапазон по массовой доле химических элементов. Например, низколегированный чугун марки ЧХ1 имеет массовую долю углерода 3,8 %, кремния — 1,5 … 2,5 %, марганца — 1 %, хрома — 1 %. Высоколегированный чугун марки ЧХН20ДГШ содержит 1,8 … 2,5 % углерода, 3,5 % кремния, 1,5 … 2,0 % марганца, 0,5 … 1,0 % хрома, 19 … 21 % никеля, 1,5 … 2,0 % меди и до 0,3 % алюминия. Чугун обладает высокими эксплуатационными свойствами: жаропрочностью, коррозионной стойкостью в кислотах, щелочах, морской воде, паре. Применяется для изготовления деталей (коллекторы, клапаны, головки поршней, вентили и др.), в газовых турбинах, в нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности.

Легированные чугуны имеют высокие литейные свойства (жидкотекучесть, малую усадку и отсутствие ликвации), хорошую обрабатываемость различными способами механической обработки (точением, фрезерованием, сверлением, шлифованием и др.). Кроме того, эти чугуны имеют высокую улучшаемость и прокаливаемость.

Отливки из легированного чугуна подвергают термической обработке: различным видам отжига, отпуску, закалке и нормализации. Вид термической обработки выбирается в зависимости от требуемых механических и эксплуатационных свойств.

Источник