Для обозначения марок легированных сталей применяется система, основанная на буквенно-цифровом кодировании. Цифры, расположенные в начале, указывают на содержание углерода в сотых долях процента, а за ними следуют буквы, которые обозначают легирующий элемент:
Сколько углерода в чугуне
Содержание углерода в чугуне варьируется от 2% до 6,67%. Чугун в своем составе включает железо и углерод, чему соответствует определенная классификация. Рассматривая углерод как главный легирующий элемент, можно выделить различные типы чугуна в зависимости от его содержания и состояния.
К числу условно экологичных строительных материалов относят несколько категорий. Однако большинство из этих материалов characterized by высокой плотностью и склонностью к коррозии, особенно под воздействием агрессивных газов и влаги. Металлы в своей классификации делятся на две основные группы: черные и цветные. Черные металлы, к которым относятся сплавы на основе железа, обладают высокой температурой плавления, плотностью и повышенной твердостью. В противоположность им, цветные металлы часто плавятся при температуре ниже, чем черные, и отличаются повышенной электропроводностью и теплопроводностью.
В рамках группы черных металлов выделяются различные сплавы железа с углеродом (см. Рис. 11.1). Сплавы, такие как сталь, имеют содержание углерода до 2%, тогда как чугун содержит его в объеме от 2% до 6,67%.
Рис. 11.1. Разновидности чёрных металлов
Цветные металлы делятся на несколько подгрупп, включая редкие, легкие, тяжёлые и благородные (см. Рис. 11.2).
Рис. 11.2. Классификация цветных металлов
2. Чугун. Классификация чугуна
Чугун представляет собой сплав железа с углеродом, в котором содержание последнего варьируется от 2,14% до 6,67%. В зависимости от формы, в которой углерод соединен в металле, выделяют белые и серые чугуны.
Белый чугун (передельный) содержит углерод в форме цементита. При изломе он отличается светлым цветом (см. Рис. 11.3). Белые чугуны имеют значительную твердость и хрупкость, что делает их непригодными для производства деталей машин, где нужны механические нагрузки.
Рис. 11.3. Белый чугун
Серый чугун (литейный) отличается тем, что углерод в нем находится в форме графита. В процессе разлома материал имеет серый цвет (см. Рис. 11.4). Серый чугун легко поддается резке и успешно применяется в машиностроении. Из него изготавливают детали строительных конструкций, включая башмаки для колонн, опорные элементы железобетонных ферм, а также изделия для санитарно-технических нужд.
Рис. 11.4. Серый чугун
Кроме серого и белого чугуна, также различают ковки и высокопрочные чуны.
Ковкий чугун получают путем длительного отжига белого чугуна. Это наделяет материал повышенной пластичностью и вязкостью, что ограничивает его хрупкость. Особенности ковкого чугуна включают повышенную прочность при растяжении и хорошее сопротивление ударным нагрузкам.
Рис. 11.5. Изделия из ковкого чугуна
Высокопрочный чугун производится путем добавления специальных добавок в серый чугун. Такой материал востребован для изготовления деталей, которые должны обладать высокой износостойкостью.
Рис. 11.6. Изделия из высокопрочного чугуна
Особенности материалов
Сталь и чугун являются продукцией, получаемой на предприятиях черной металлургии. Обе категории сплавов производятся из железной руды, и технология их производства схожа. В обоих случаях чугун и сталь подвергаются процессу плавления с добавлением легирующих элементов, соблюдая определенные рецепты и температурные режимы. Эти факторы также определяют, почему рабочие, занятие которых связано с процессом металлургии, называются сталеварами.
Если говорить о содержании углерода, то в стали его содержание составляет менее 2,14%, в то время как в чугуне оно значительно выше, достигая иногда более 6% в некоторых его разновидностях.
Тем не менее, углерод — это не единственная деталь, по которой различаются чугун и сталь. Различные технологии изготовления обуславливают различные формы углерода и дополнительные компоненты, содержащиеся в сплавах.
Влияние элемента
Наличие углерода играет решающую роль в определении свойств сплавов. Например, хрупкие чугуны могут демонстрировать повышенную твердость по сравнению со сталью. Тем не менее, их трудно подвергать сварке или ковке, и в некоторых случаях эти процессы полностью недоступны. Железо, входящее в состав железоуглеродистых сплавов, не только определяет их основные характеристики, такие как высокая температура плавления — выше 1530°С, но и обеспечивает магнитные свойства. В чистом виде железо обладает хорошей прочностью и пластичностью, однако его высокая химическая активность относительно кислорода ограничивает его использование в технических приложениях, так как оно быстро подвергается коррозии при взаимодействии с кислородом.
Инкорпорация углерода и других примесей в сплавы сильно увеличивает долговечность изделий. Партия углерода реагирует с железом на стадии плавления, образуя стабильное соединение – цементит (Fe3C). Включения цементита снижают пластичность сплава, одновременно увеличивая его прочность и твердость.
Особенно велика прочность стали, содержащей около 1% углерода. Однако с увеличением содержания углерода прочность начинает постепенно снижаться. Эта тенденция также связана со снижением ударной вязкости и хладоломкости, являющейся реакцией сплава на резкие перепады температуры.
Углерод также может пребывать в химически свободной форме, как графит. Когда графит присутствует в сплаве, он может увеличивать его ломкость, но при этом создает зернистую структуру, что препятствует механическому разрушению поверхности. Графит способен действовать как смазка, уменьшая сопротивление при трении. Он также снижает влияние вибрации. Присутствие углерода в свободной форме или в виде соединений может уменьшить температуру плавления, причем в некоторых чугунах этот эффект может составлять до 400°С.
Таким образом, сплавы на основе железа и углерода (включая стали и чугуны) могут значительно варьироваться в своих свойствам в зависимости от пропорций и форм квадратов углерода и других элементов.
Применение и характеристики чугуна
Чугун, как уже упоминалось, представляет собой сплав с повышенным содержанием углерода, превышающим 2%.
Цвет сплава определяется типом углерода, который содержится в смеси, будь то карбид железа или графит.
Виды чугуна включают следующее:
- Белый чугун. Его излом имеет соответствующий светлый цвет благодаря цементиту в составе. Прочность и ломкость, а также высокая тепловая стойкость и удельное сопротивление являются его главными свойствами. Такой чугун плохо поддается обработке и не устойчив при ударных нагрузках. Его применяют для изготовления плит с различной поверхностью, а также во втором процессе преобразования в сталь, серый или ковкий чугун.
- Серый чугун. Это разновидность литьевого чугуна с серым изломом и вкраплениями графита пластинчатой формы. Содержание углерода составляет от 2,4% до 4,2%. Этот тип чугуна высоко востребован в черной металлургии, обладает прочностью на сжатие, хотя менее устойчив к изгибу. Его отличает малое усадочное поведение при остывании и хорошая текучесть, что позволяет отливать детали сложных форм и с высокой износостойкостью, что делает его ценным для применения в условиях трения.
- Ковкий чугун. Получают его длительным отжигом белого чугуна, в результате чего происходит графитизация, превращающая цементит в графит. Основные свойства ковкого чугуна включают его однородность и высокую демпфирующую способность, он также поддается сварке. Ковкий чугун устойчив к коррозии и износостойкий, при этом его часто используют для производства чугунных труб для систем водоснабжения и газоснабжения.
- Высокопрочный чугун. В этом виде чугуна углерод находится в форме шаровидного графита, который существенно меньше влияет на прочность металла. Он имеет характеристики, схожие с углеродистой сталью и при этом прекрасно льется, обрабатывается, обладает высокими показателями износостойкости и хорошо гасят вибрации. Высокая прочность на сжатие и пластичность сделали данный материал крайне востребованным в машиностроении, где из него производят такие детали, как коленвалы, поршни и тормозные колодки.
- Передельный чугун. Данный тип не используется в качестве самостоятельного материала, а служит для переработки в сталь. Обычно он выплавляется в доменной печи, а затем меняется его состав для получения стали. Такой чугун характеризуется низким содержанием кремния и марганца. Его прочные свойства, такие как теплоизоляция, являются преимуществами, тогда как слабая коррозионная стойкость и ломкость являются его недостатками.
Как производят металлы
Процесс производства чугуна осуществляется в доменных печах. Для этого в печь поочередно засыпают сырье: кокс, агломерат и снова кокс. Для достижения нужных температур подается кислород или раскаленный воздух. При сгорании кокса образуется углекислый газ, который затем преобразуется в оксид углерода — восстановитель для руды. Железо, находящееся в печи, расплавляется и с солью углерода становится чугуном.
Сталь получается из передельного чугуна за счет снижения содержания углерода, фосфора и марганца. Для этого могут использоваться мартеновские печи или электропечи, однако наиболее универсальным считается кислородно-конвертерный метод.
Высокопрочный чугун
Это высокопрочный чугун, в котором при кристаллизации образуются включения графита шаровидной формы. По сравнению с серым чугуном, он отличается повышенным содержанием углерода и кремния, а также сниженной концентрацией серы. Основные механические свойства чугуна определяются при испытаниях образцов, изготовленных по стандартам ГОСТ.
В высокопрочном чугуне шаровидная форма графита менее заметно ослабляет металлическую матрицу по сравнению с пластинчатым графитом в сером. Это снижает концентрацию напряженных нагрузок во время эксплуатации.
Что касается прочности, то высокопрочный чугун приближается к стали. Отливки из высокопрочного чугуна можно обрабатывать так же эффективно, как и серые отливки, что позволяет достигать точности и чистоты поверхности.
Такой чугун обладает высокой герметичностью, его используют для производства цилиндров газомотокомпрессоров, способных выдерживать давления до 100 атмосфер.
Тем не менее, высокопрочный чугун склонен к образованию усадочных раковин, что требует применения специальных прибылей для обеспечения необходимого питания массивных частей отливок.
Для производства высокопрочного чугуна широко используются индукционные тигельные печи, которые позволяют получать необходимый состав и температуру, которая нужна для дальнейшего модифицирования. Модификаторы, такие как магний, церий и иттрий, используются в чистом виде или в виде легированных материалов. Чтобы предотвратить быстрое всплывание модификатора и увеличить время его контакта с расплавом, его накрывают стальными листами. Затем расплавленный металл из печи заливается в ковш. Такая методика способствует лучшему усвоению модификаторов и стабилизации процесса плавления.
Чтобы дополнительно уменьшить склонность чугуна к отбелу, к нему вносится ферросилиций. Формы для отливок крупной массы обычно производятся на крупных встряхивающих столах.
Сборка форм и их заливка выполняется на специальных платформах. Во время кристаллизации высокопрочного чугуна под воздействием модификаторов происходит множественное ветвление графита, что помогает формировать его шаровидные включения. В случае недостатка модификатора или неравномерного его распределения в чугуне могут образоваться обычные пластинчатые графиты.
Для стабилизации структуры и обеспечения однородности физико-механических свойств, крупные отливки сложной формы подвергаются термической обработке, такой как нормализация.
После механической обработки детали направляются на контрольный участок. Элементы, предназначенные для ответственного использования, проходят через дефектоскопию. Замена ряда деталей из стали, которые испытывают большие ударные нагрузки и давление, на детали из высокопрочного чугуна позволяет существенно сэкономить при производстве некоторых видов машиностроительной продукции.
Примером может служить то, что из высокопрочного чугуна производят около 50% коленчатых валов для двигателей разных назначений. Характеристики эксплуатации и литейная производительность чугунов обеспечили широкое применение этих материалов в различных отраслях машиностроения, где более двух третей литых заготовок используются в отечественной промышленности.
Сообщение на тему: Что такое чугун? (в День науки)
Поможем быстро повысить квалификацию!
Сообщение на тему: Что такое чугун? (в День науки)
Чугу́н — это сплав железа с углеродом и другими элементами. Чаще всего он производится в доменных печах.
Углерод придает сплавам железа значительную твёрдость, но в то же время может снижать их пластичность и вязкость. В зависимости от формы углерода и его количества, выделяют разные виды чугуна: белый, серый, ковкий и высокопрочный.
Чугуны содержат постоянные примеси, такие как кремний (Si), марганец (Mn), сера (S) и фосфор (P), а также иногда легирующие элементы, как хром (Cr), никель (Ni), ванадий (V), алюминий (Al) и другие. В целом, чугуны характеризуются хрупкостью.
Температура плавления чугуна колеблется от 1150 до 1200 °C (от 2100 до 2190 °F), что примерно на 300 °C (572 °F) меньше, чем у чистого железа.
История технологии литья чугуна восходит к Китаю, откуда это понятие (через татаро-монгольское посредничество) пришло в Россию.
В X веке в Китае начали производить чугунные монеты, однако в массовом употреблении они оставались до XIX века, когда бронзовые монеты все еще были более популярны. В XI веке в Китае был построен чугунный шпиль пагоды Линсяо.
Находки чугунных котлов Золотой Орды, датируемые XIV веком, были сделаны в Тульской области. Однако на территории Монголии, в Каракоруме, жители знали, как производить чугунные котлы уже в XIII веке.
С 1411 года англичане начали оснащать свои корабли чугунными пушками.
Виды чугуна
Белый чугун
В белых чугах углерод находится в связанном состоянии (представлен в виде Fe3C). Они делятся по содержанию углерода на:
- эвтектические (с содержанием углерода 4,3%);
- заэвтектические (с содержанием углерода от 4,3% до 6,67%).
Цементит светлый, что и стало причиной, по которой такие чугуны именуются белыми. Они в основном применяются для производства ковких чугунов, которые получают путем отжига.
Серый чугун, напротив, представляет собой сплав железа, кремния (от 1,2% до 3,5%) и углерода, также включая постоянные примеси, такие как марганец (Mn), фосфор (P) и сера (S). Большая часть углерода в сером чугуне находится в виде графита в пластинчатой форме. Благодаря графиту излом серого чугуна имеет серый цвет.
Ковкий чугун получают путем длительного отжига белого чугуна, что в итоге приводит к образованию графита в хлопьевидной форме. Металлическая основа ковкого чугуна состоит в основном из феррита, реже — из перлита. Название «ковкий» получено благодаря повышенной пластичности и вязкости, хотя он и не подвергается обработке давлением. Ковкий чугун показывает высокую прочность при растяжении и хорошую ударную нагрузку. Из него производят детали сложной формы, такие как картеры заднего моста автомобилей, тормозные колодки, тройники, угольники и др.
Ковкий чугун маркируется двумя буквами и двумя числами, например КЧ 370-12. Буквы «КЧ» обозначают ковкий чугун, первое число указывает на предел прочности (в мегапаскалях) на разрыв, а второе число показывает относительное удлинение (в процентах), что характеризует пластичность чугуна.
Высокопрочный чугун содержит шаровидный графит, который формируется во время кристаллизации. Такой графит менее значительно ослабляет матрицу металла в сравнении с пластинчатым графитом в сером чугуне и не является концентраторами напряжений.
Передельный чугун, как уже упоминалось, не используется как самостоятельный материал, а чаще применяется для дальнейшего переработки в сталь.
