Подготовила Александра Немерова, ученица 5 класса средней школы села Новый Мир, Хабаровский край, г. Комсомольск-на-Амуре. Рецензировала Т.В. Костина, учитель технологии. Что можно сделать из чугуна?
Чугун. Марки, свойства и применение чугунов
Чугун представляет собой один из наиболее широко используемых бесклетевых железоуглеродистых литейных материалов, который содержит более 2% углерода, до 4,5% кремния, до 1,5% марганца, до 1,8% фосфора и до 0,08% серы. На практике, в большинстве случаев, используются чугуны, содержащие 3÷3,5% углерода, поскольку эта пропорция обеспечивает оптимальные свойства для литейного производства.
Чугун обладает замечательными литейными свойствами, что делает его идеальным выбором для использования в литейном производстве в качестве конструкционного материала. Он также легко поддается обработке с использованием резания. Чугун с низким коэффициентом трения часто применяется в производстве подшипников качения. Специально обработанный чугун, известный как высокопрочный чугун, успешно конкурирует качественно со стальными отливками и деформируемой сталью, что расширяет его область применения.
Однако следует отметить, что недостаточная прочность и высокая хрупкость чугуна обусловлены присутствием крупных углеродных включений в виде графита.
Введение небольшого количества магния и церия в жидкое железо изменяет форму графита на сферическую, что значительно увеличивает прочность чугуна и снижает его хрупкость. Такой чугун, известный как высокопрочный чугун, по своим характеристикам не только не уступает углеродистым конструкционным сталям, но и увеличивает долговечность деталей, изготовленных из него, почти в три раза.
Углерод в чугуне может принимать различные формы, зависимо от структуры: он может находиться в виде химического соединения, цементита (в этом случае такой чугун называется белым), или же частично или полностью свободном состоянии в виде графита (такой чугун именуется серым).
Структура чугуна включает в себя металлическое тело (перлит, феррит) и неметаллические графитовые включения, которые существенным образом определяют его свойства. Белый чугун имеет ограниченные области применения. Тем не менее, некоторые отливки, для которых необходима высокая поверхностная твердость, изготавливаются именно из отбеленного чугуна, где поверхностный слой составляется из белого чугуна, а сердцевина сделана из серого чугуна. Размер и твердость отбеленного слоя могут регулироваться путем изменения химического состава чугуна, а также скорости затвердевания отливки.
Чугун серый
Серый чугун находит широкое применение в сфере машиностроения. Его название происходит от серого цвета фрагмента, что объясняется наличием свободного углерода в форме графита в структуре чугуна. В зависимости от свойств серого чугуна, различают три его подтипа: перлитный, перлитно-ферритный и ферритный.
Таблица 1. Серые чугуны, их основные свойства и применение:
| Марк | σВ МПа | HB | Свойства и применение |
| Сч10 | 275 | 139-274 | Мелкие отливки с толщиной стенки до 15 мм (корпуса, крышки, обечайки и т.д.), детали, для которых не требуются высокие прочностные характеристики — бутылки, фитинги, рамы, сковороды, декоративные детали, громоздкие строительные колонны, фундаментные плиты. |
| CR15 | 314 | 160-224 | Малодеформируемые отливки с толщиной стенки 10 — 30 мм (трубы, корпуса клапанов, клапаны на давление до 20 МПа и т.д.), малонагруженные корпусные детали, плиты двигателя, рычаги, шкивы, маховики, баки для масла и охлаждающей жидкости, корпуса фильтров, прокладки, крышки, цепи цепного привода. |
| CR18 | 354 | 167-224 | Твердые отливки с толщиной стенки 10-20 мм (шкивы, шестерни, рамы, тележки и т.д.). |
| CR20 | 397 | 167-236 | Цельные отливки с толщиной стенки до 30 мм (например, цилиндры, поршни, тормозные барабаны, тележки), основные корпусные детали с повышенной прочностью и износостойкостью, для изготовления элементов, требующих герметичности при давлении до 8 МПа (80 кгс/см²), корпуса, коробки передач, головки осей, балансиры, передние части, втулки, тележки, цилиндры, насосы, скользящие клапаны, фитинги, компрессоры. |
| CR25 | 450 | 176-245 | Ответственное литье с толщиной стенок до 40 мм (ковочные штампы, поршневые кольца и т.д.) для изготовления основных корпусных деталей с повышенной прочностью и износостойкостью, а также деталей с повышенными требованиями к герметичности. |
| CR3O | 490 | 177-250 | Ответственное литье с толщиной стенки до 60 мм (например, поршни, гильзы дизельных двигателей, рамы и штампы) для изготовления кронштейнов, столов, ползунов, деталей с поверхностной закалкой, цилиндров, корпусов насосов, дизельных двигателей и поршней дизельных двигателей, коленчатые и распределительные валы. |
| CR35-CR45 | 540 | 193-264 | Компоненты с тяжелыми литыми деталями с толщиной стенок до 100 мм (например, небольшие коленчатые валы, детали локомотивов), к которым предъявляются требования по герметизации при давлении свыше 8 МПа. |
Серый чугун обладает низкими механическими свойствами, что негативно сказывается на целостности металлической подложки. Графит, размещённый между частицами металлической подложки, ослабляет связь между ними, что приводит к снижению прочности на разрыв и пластичности материала. Следует отметить, что чем больше и прямее содержание графита, тем хуже механические характеристики чугуна. Твердость и прочность на сжатие серого чугуна сопоставимы с показателями стали, обладающей аналогичной структурой.
Структура ковкого чугуна отличается наличием графита в виде хлопьев, что делает его более универсальным по сравнению с серым чугуном. Ковкий чугун обладает отличной прочностью, пластичностью и ковкостью. Существуют разные методы производства данного чугуна, включая отжиг, в результате которого графит переносится в нужную форму, улучшая механические свойства конечного продукта.
Процесс отжига ковкого чугуна продолжается от 70 до 80 часов, но его можно ускорить, используя определенные методы, такие как закалка чугуна перед отливкой графита, а также модификация чугуна с добавлением алюминия, бора, висмута или титана. Применение этих методов позволяет сократить время отжига до 35-40 часов, что в свою очередь делает процесс более эффективным.
Таблица 2. Гибкие чугуны, их основные свойства и области применения:
Гибкие чугуны находят широкое применение благодаря своей способности выдерживать высокие динамические и статические нагрузки. Эти материалы используются в производстве зажимов, гаек, клапанов, а также деталей сельскохозяйственной техники, таких как глушители, прокладки и тормозные компоненты.
Согласно ГОСТ 1215-79, свойства ковкого чугуна сопоставимы с теми, которые у ковкого чугуна. Например, марка чугуна КЧ 33-8 характеризуется пределом прочности В = 32,4 Н/мм² (33 кгс/мм²) и относительным удлинением δ = 8%.
Отливки могут быть изготовлены из чугуна с поперечным сечением до 55 мм. При увеличении площади поперечного сечения в сердцевине отливки образуется слоистый графит, что делает чугун непригодным для отжига. В машиностроении чаще используется высокопрочный чугун, который изготавливается по более сложному технологическому процессу, что определяет его стоимость и себестоимость.
Основные свойства ковкого чугуна и его области применения представлены в следующей таблице.
Чугун известен своей устойчивостью к коррозии и долговечностью. На практике это значит, что изделия из чугуна могут сохранять свой привлекательный внешний вид на протяжении многих лет. Особенно зрелищно выглядят кованые лестницы (как наружные, так и внутренние), перфорированные конструкции, резьба, оконные решетки, ворота и уличные фонари.
Физические свойства
Чугун широко используется благодаря нескольким привлекательным физическим свойствам:
- Первым из них является низкая стоимость материала по сравнению с другими сплавами, что обуславливает его обширное применение в различных отраслях.
- Во-вторых, следует отметить, что плотность чугуна значительно ниже, чем у стали, что делает его более легким и удобным в использовании.
- Температура плавления чугуна зависит от его структуры; в большинстве случаев она составляет примерно 1200 градусов Цельсия. Этот показатель может быть изменен путем добавления различных легирующих элементов.
- Цвет чугуна также может варьироваться в зависимости от его структуры и химического состава, что может быть важно в некоторых дизайнерских применениях.
Температура кипения чугуна также варьируется в зависимости от его состава, поэтому важно учитывать физические свойства каждого типа материала. Различные структуры и химические составы приводят к значительным различиям в их физико-механических свойствах.
Технология производства
Чугун производят на протяжении многих лет благодаря его уникальным эксплуатационным характеристикам. Существует множество категорий сплавов, которые предъявляют строгие требования к маркировке. Используемая кодировка для различных типов чугуна выглядит следующим образом:
- Литейный сорт обозначается буквой L.
- Серый чугун, который часто используется, обозначается буквами SC.
- Подделка обозначается буквой CC.
- Редуцированный или белый чугун обозначается буквой P.
- Антифрикционный или серый чугун обозначается как ACS.
- Легированные чугуны имеют широкий диапазон химического состава и обозначаются буквой Ch.
Процесс производства чугуна состоит из нескольких этапов, что обеспечивает получение желаемой структуры. Важные моменты при производстве чугуна включают:
- Производство осуществляется в специализированных доменных печах, которые обеспечивают необходимые условия для плавления.
- Из железной руды можно получить различные виды чугуна, в том числе легированный и жаропрочный.
- Основная операция заключается в восстановлении оксида железа из руды, в результате чего происходит перестройка кристаллической решетки, что ведет к образованию чугуна.
- Методы производства зависят от применяемых материалов, в частности, кокс используется в качестве топлива, который может быть заменен природным газом или антрацитовым углем.
- Производственный процесс включает закалку железа в твердой форме с помощью специализированных печей, чтобы получить жидкий чугун на выходе.
Для производства чугуна используется разнообразное оборудование. Технология, которая применяется в процессе, также влияет на свойства конечного продукта. Например, процесс, использующий CSHG, характеризуется уникальными формами исполнения.
Разновидности чугуна
Существует несколько различных типов чугуна. Классификация этого материала основана в первую очередь на его химическом составе и структуре. Выделяют следующие виды чугуна:
- Серый чугун — отличается низкой пластичностью и высокой вязкостью, что делает его полезным для хорошей обрабатываемости резанием. Углерод в сером чугуне содержится в виде графита. Этот материал находит применение в машиностроении, в производстве деталей, работающих на износ. Концентрация фосфора в серебряном чугуне может варьироваться от 0,3 до 1,2%. Его высокая текучесть делает его популярным в художественном литье; помимо этого, антифрикционный чугун обладает относительно низкой стоимостью, что определяет его широкое применение.
- Белый чугун — в этом материале углерод представлен в виде цементита, что делает его структуру очень хрупкой, но одновременно повышает его твердость. Этот тип чугуна характеризуется низкими литейными свойствами и плохой обрабатываемостью резанием. Белый чугун часто перерабатываются в сталь или ковкий чугун.
- Полужелезо — данный тип чугуна выделяется высокой износостойкостью, что достигается за счет распределения углерода как в свободной, так и в цементной форме. Используется в машиностроении и станкостроении.
- Сплавы чугуна — добавление различных элементов, таких как никель и хром, значительно повышает устойчивость к износу и коррозии. Эти свойства определяются в зависимости от элементов сплава, пребывающих в составе.
- Высокопрочный чугун — производится путем добавления различных легирующих элементов, таких как магний и кальций, в жидкий серый чугун. Процесс приводит к изменению формы графита, что в свою очередь улучшает механические свойства и делает металл схожим по характеристикам с углеродистой сталью.
- Ковка — этот материал готовится путем повторной обработки белого чугуна, который должен быть нагрет до высокой температуры и удержан в таком состоянии. В некоторых случаях легирующие элементы могут быть добавлены для придания специфических свойств. Основные характеристики — высокая масса и улучшенная прочность. Используется в механических применениях.
- Сплавы с марганцем и кремнием — используются для удаления кислорода из стали в процессе её производства, что позволяет уменьшить её температуру плавления.
Каждый вид чугуна имеет свою уникальную структуру и химический состав, что влияет на область его применения и эксплуатационные характеристики.
