Какие чугуны называются серыми?

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

Сегодня почти нет ни одной сферы жизни человека, где бы не применялся чугун. Этот материал известен человечеству уже достаточно давно и превосходно зарекомендовал себя с практической точки зрения.

Чугунное литье – основа великого множества деталей, узлов и механизмов, а в некоторых случаях даже самодостаточное изделие, способное выполнять возложенные на него функции. Поэтому в данной статье мы уделим самое пристальное внимание данному железосодержащему соединению.

Также выясним, какие бывают виды чугуна, их физические и химические особенности.

Определение

Чугун – это поистине уникальный сплав железа и углерода, в котором Fe более 90%, а C – не более 6,67%, но и не менее 2,14%. Также углерод может находиться в чугуне в виде цементита или же графита.

Углерод дает сплаву достаточно высокую твёрдость, однако, вместе с тем, понижает ковкость и пластичность. В связи с этим чугун является хрупким материалом.

Также в определенные марки чугуна добавляют специальные присадки, которые способны придать соединению определенные свойства. В роли легирующих элементов могут выступать: никель, хром, ванадий, алюминий.

Выплавка чугуна уже достаточно давно известна человеку. Первые упоминания о сплаве датируются шестым веком до нашей эры.

В Китае в древние времена получали чугун с довольно низкой температурой плавления. В Европе чугун стали получать примерно в 14 веке, когда впервые начали использовать доменные печи. На тот момент такое чугунное литье шло на производство оружия, снарядов, деталей для строительства.

На территории России производство чугуна активно началось в 16 столетии и далее быстро расширялось. Во времена Петра I Российская империя по объему производства чугуна смогла обойти все государства мира, однако уже через сто лет начала снова сдавать свои позиции на рынке черной металлургии.

Чугунное литье использовалось для создания разнообразных художественных произведений ещё в эпоху Средневековья.

В частности, в 10 веке китайские мастера отлили поистине уникальную фигуру льва, вес которого превысил 100 тонн.

Начиная с 15 века на территории Германии, а после и в других странах литье из чугуна получило широчайшее распространение. Из него делали оградки, решетки, парковые скульптуры, садовую мебель, надгробия.

В последние годы 18 века чугунное литье максимально задействовано в архитектуре России. А 19 столетие так и вообще прозвали «чугунным веком», так как сплав очень активно использовался в зодчестве.

В момент выплавки и последующей кристаллизации углерод, содержащийся в чугуне, не успевает полностью проникнуть в молекулярную решётку железа, и потому чугун в итоге получается довольно хрупким. В связи с этим он не применяется там, где имеют место постоянные динамические нагрузки. Но при этом он отлично подходит для тех деталей, которые имеют повышенные требования к прочности.

Технология производства

Абсолютно все виды чугуна производятся в доменной печи. Собственно, сам процесс плавки – довольно трудоемкая деятельность, требующая серьёзных материальных вложений.

Одна тонна чугуна требует примерно 550 килограмм кокса и почти тонну воды. Объем загружаемой в печь руды будет зависеть от содержания железа. Чаще всего применяют руду, в которой железа не менее 70%.

Меньшая концентрация элемента нежелательна, поскольку ее будет невыгодно экономически использовать.

Первый этап производства

Выплавка чугуна происходит следующим образом. В первую очередь в печь засыпают руду, а также коксующиеся марки угля, которые служат для нагнетания и поддержания требуемой температуры внутри шахты печи. Помимо этого, эти продукты в процессе горения активно принимают участие в протекающих химических реакциях в роли восстановителей железа.

https://www.youtube.com/watch?v=Wj3yX7R9dE4

Параллельно в печь отгружается флюс, служащий в качестве катализатора. Он помогает породам быстрее расплавляться, что содействует скорейшему высвобождению железа.

Важно заметить, что руда перед загрузкой в печь подвергается специальной предварительной обработке. Ее измельчают на дробильной установке (мелкие частицы быстрее плавятся). После она промывается с целью удаления частиц, не содержащих металл. После чего сырье обжигают, за счет этого из него удаляется сера и прочие чужеродные элементы.

Второй этап производства

В загруженную и готовую к эксплуатации печь подают природный газ через специальные горелки. Кокс разогревает сырье. При этом выделяется углерод, который соединяется с кислородом и образует оксид.

Этот оксид впоследствии принимает участие в восстановлении железа из руды.

Отметим, что с увеличением количества газа в печи скорость протекания химической реакции снижается, а при достижении определённого соотношения и вовсе останавливается.

Избыток углерода проникает в расплав и входит в соединение с железом, формируя в конечном счете чугун. Все те элементы, которые не расплавились, оказываются на поверхности и в итоге удаляются. Эти отходы именуют шлаком. Его также можно использовать для производства других материалов. Виды чугуна, получаемые таким образом, называются литейным и передельным.

Дифференциация

Современная классификация чугунов предусматривает разделение данных сплавов на следующие типы:

• Белые.
• Половинчатые.
• Серые с пластинчатым графитом.
• Высокопрочные с шаровидным графитом.
• Ковкие.

Давайте рассмотрим каждый вид по отдельности.

Белый чугун

Таким чугуном называется тот, у которого практически весь углерод химически связан. В машиностроении этот сплав применяется не очень часто, потому что он твёрдый, но очень хрупкий.

Также он не поддается механической обработке различными режущими инструментами, а потому используется для отливания деталей, которые не требуют какой-либо обработки. Хотя этот вид чугуна допускает шлифование абразивными кругами. Белый чугун может быть как обыкновенным, так и легированным.

При этом сварка его вызывает затруднения, поскольку сопровождается образованием различных трещин во время охлаждения или нагрева, а также по причине неоднородности структуры, формирующейся в точке сварки.

Белые износостойкие чугуны получают за счет первичной кристаллизации жидкого сплава при скоротечном охлаждении. Чаще всего они используются для работы в условиях сухого трения (например, тормозные колодки) или для производства деталей, обладающих повышенной износостойкостью и жаростойкостью (валки прокатных станов).

Кстати, белый чугун получил свое название благодаря тому, что внешний вид его излома – светло-кристаллическая, лучистая поверхность. Структура этого чугуна представляет собой совокупность ледебурита, перлита и вторичного цементита. Если же данный чугун подвергают легированию, то перлит трансформируется в троостит, аустенит или мартенсит.

Половинчатый чугун

Классификация чугунов будет неполной, если не упомянуть об этой разновидности металлического сплава.

Для указанного чугуна характерно сочетание карбидной эвтектики и графита в его структуре. В целом же, полноценная структура имеет следующий вид: графит, перлит, ледебурит. Если же чугун подвергнуть термической обработке или легированию, то это приведет к образованию аустенита, мартенсита или игольчатого троостита.

Этот вид чугуна достаточно хрупок, поэтому его применение весьма ограничено. Само же название сплав получил потому, что его излом – сочетание темных и светлых участков кристаллического строения.

Самый распространенный машиностроительный материал

Серый чугун ГОСТ 1412-85 содержит в своем составе около 3,5% углерода, от 1,9 до 2,5% кремния, до 0,8% марганца, до 0,3% фосфора и менее 0,12% серы.

Графит в таком чугуне имеет пластинчатую форму. При этом не требуется специального модифицирования.

Пластинки графита имеют сильно ослабляющее действие и потому серому чугуну характерны очень низкая ударная вязкость и практически полное отсутствие относительного удлинения (показатель составляет мене 0,5%).

Серый чугун хорошо подвергается обработке. Структура сплава может быть следующей:

• Феррито-графитовой.
• Феррито-перлито-графитовой.
• Перлито-графитовой.

На сжатие серый чугун работает гораздо лучше, нежели на растяжение.

Также он довольно хорошо сваривается, но для этого требуется предварительный подогрев, а в качестве присадочного материала следует использовать специальные чугунные стержни с высоким содержанием кремния и углерода. Без предварительного разогрева сварка будет затруднена, поскольку будет происходить отбеливание чугуна в зоне шва.

Из серого чугуна производят детали, работающие при отсутствии ударной нагрузки (шкивы, крышки, станины).

Обозначение данного чугуна происходит по такому принципу: СЧ 25-52. Две буквы сигнализируют о том, что это именно серый чугун, число 25 – показатель предела прочности при растяжении (в Мпа или кгс/мм2), число 52 – предел прочности в момент изгиба.

Высокопрочный чугун

Чугун с шаровидным графитом принципиально отличается от других своих «собратьев» тем, что в нем содержится графит шаровидной формы. Она получается за счет введения в жидкий сплав специальных модификаторов (Mg, Се). Количество графитных включений и их линейные размеры могут быть различными.

Чем хорош шаровидный графит? Тем, что такая форма минимально ослабляет металлическую основу, которая, в свою очередь, может быть перлитной, ферритной или перлитно-ферритной.

Марки высокопрочного чугуна бывают различны, но в общем виде обозначение его таково: ВЧ 40-5. Легко догадаться, что ВЧ – это высокопрочный чугун, число 40 – показатель предела прочности при растяжении (кгс/мм2), число 5 – относительно удлинение, выражаемое в процентах.

Ковкий чугун

Структура ковкого чугуна заключается в наличии в нем графита в хлопьевидной или шаровидной форме. При этом хлопьевидный графит может иметь различную дисперсность и компактность, что, в свою очередь, оказывает непосредственное влияние на механические свойства чугуна.

В промышленности ковкий чугун производится зачастую с ферритной основой, которая обеспечивает большую пластичность.

Внешний вид излома ферритного ковкого чугуна имеет черно-бархатистый вид. Чем выше количество перлита в структуре, тем светлее будет становиться излом.

В целом же, ковкий чугун получается из отливок белого чугуна благодаря длительному томлению в печах, нагретых до температуры 800–950 градусов Цельсия.

На сегодняшний день есть два способа изготовления ковкого чугуна: европейский и американский.

Американский метод заключается в томлении сплава в песке при температуре 800-850 градусов. В этом процессе графит располагается между зернами чистейшего железа. В итоге чугун приобретает вязкость.

Маркировка ковкого чугуна: КЧ 40-6, где КЧ – это, разумеется ковкий чугун; 40 – показатель прочности при растяжении; 6 – относительное удлинение, %.

Прочие показатели

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

• Обычная прочность: σв до 20 кг/мм2.
• Повышенная прочность: σв = 20 — 38 кг/мм2.
• Высокая прочность: σв = 40 кг/мм2 и выше.

По пластичности чугуны разделяются на:

• Непластичные – относительное удлинение менее 1%.
• Малопластичные – от 1% до 5%.
• Пластичные – от 5% до 10%.
• Повышенной пластичности – более 10%.

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

Серый чугун: применение, состав и маркировка

Чугун – это сплав железа и углерода. Один из самых широко распространенных видов – это серый чугун. Объем углерода в его составе превышает 2,14% и содержится в диапазоне от 2,4 до 4,2%.

Свое название материал получил по цвету излома, имеющего серый цвет.

По сути, это литьевой чугун с вкраплениями пластинчатого графита. Но и, тем не менее, его продолжают называть серым. Кстати, такой же цвет можно увидеть и на изломе ковкого чугуна. Металлурги установили зависимость между объемом свободного углерода, но не от его формы.

В сером чугуне углерод по мере охлаждения приобретает форму хлопьевидных или пластинчатых вкраплений. Разница между чугуном и сталью заключена в объеме углерода. Углерод абсолютно полностью растворяется в стали и не содержится в виде вкраплений, в сером чугуне содержатся вкрапления углерода называемыми графитом.

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.

Маркировка

Металлургические комбинаты производят несколько марок этого материала. Его маркировку осуществляют следующим образом. Две буквы в начале аббревиатуры обозначают тип чугуна, маркировка серого чугуна начинается с СЧ, цифры, которые расположены после букв, говорят о пределе прочности во время растяжения

Принята следующая классификация серого чугуна:

1. СЧ10 — ферритный;
2. СЧ15, СЧ18, СЧ20 — ферритно-перлитные чугуны;
3. начиная с СЧ25 — перлитные чугуны.

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:

• размеры включений графита, измеряя в микрометрах (МКМ), их распределение, количество (в %), вид структуры металлической основы и при наличии перлита – его дисперсность.

По строению металлической основы серые чугуны делят на:

1. перлитные – в составе структуры перлит и графит;
2. ферритно-перлитные – феррит, перлит и графит;
3. ферритные – структура состоит из феррита и графита.

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.

• пластинчатая прямолинейная, ее обозначают ПГФ1;
• пластинчатая завихреная – ПГФ2;
• игольчатая – ПГФ3;
• гнездообразная -ПГФ4.

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:

• C (углерод) – 2,9-3,7%;
• Si (кремний) -1,2-2,6%;
• Mn (марганец) – 0,5-1,1;
• P (фосфор) не больше 0,2-0,3%;
• S (сера) не больше 0,12-0,15%.

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.

Применение 

Серый чугун нашел свое применение при получении отливок разной формы, для которых требуется высокая прочность при сжатии. Эта характеристика важна в основном при производстве литых станин, предназначенных для изготовления станочного оборудования. Применение этого материала ограничено высокой хрупкостью готовых изделий. Особенно это проявляется при наличии серьезных нагрузок на изгиб.

Не так давно, литейные характеристики серого чугуна были использованы при изготовлении кухонной посуды и иной бытовой утвари, в частности, чугунки, сковородки и пр. Выпущенная, с использованием литья, продукция отличалась простотой в производстве и низкой себестоимостью.

В наши дни с использованием литья производят нагруженные компоненты машин, которые работают без изгибающих нагрузок, например, детали поршневой группы которые установлены в ДВС.

Чугуны марки СЧ15, СЧ18, СЧ20 применяют для слабо нагруженных деталей. Это: фланцы, крышки, маховик, корпус редуктора.

Марки СЧ20 и СЧ25 используют, где требуется повышенная нагрузка на детали. Это: поршни цилиндров, блоки цилиндров двигателя, станина станка.

Марки повышенной прочности и износостойкости СЧ30, СЧ35, СЧ40, СЧ45 использую в зубчатых колесах, гильзах двигателей, распределительных валах, шпинделях, для деталей паровых котлов. Эти марки обладают высокой теплостойкостью.

Серый чугун

Серый чугун представляет собой сплав железа и углерода, графит в котором имеет вид хлопьевидных, пластинчатых или волокнистых включений. Такое название данный сплав получил благодаря виду излома, который имеет характерный серый цвет. Своим цветом серый чугун обязан количеству свободного графита – именно он, а не форма графитных включений в сплаве, является цветообразующим.

Существуют разные виды серого чугуна, которые имеют буквенно-цифровое обозначение, где цифры являются показателем предела прочности в кг/мм2. Среди них существуют основные: СЧ 10, СЧ 15, СЧ 20, СЧ 25, СЧ 30, СЧ 35, и дополнительные марки серого чугуна: СЧ 18 и СЧ 21. Последние используются для изготовления отливок по требованию потребителя.

В отдельную группу марок выделены серые высокопрочные чугуны, в составе которых присутствует графит, имеющий глобулярную форму в результате его модифицирование магнием, царием, а также другими элементами. Данный тип чугуна имеет буквенную маркировку ВЧ, после которой цифрами указывается прочно, а через дефис указывается относительное удлинение в процентах.

Например, ВЧ 60 -2.

Получение серого чугуна осуществляется путем восстановительных процессов с использованием углеродного топлива (кокса). Основным и единственным материалом для данного процесса являются железные руды. В процессе получения серого чугуна, происходит не только восстановление окислов железа, но и наполнение сплава свободным углеродом.

Серый чугун. Свойства

В зависимости от процентного содержания свободного углерода в сплаве, серый чугун может обладать теми или иными механическими свойствами. Среди них можно выделить наиболее важные качества, которыми являются его литейность (или жидкотекучесть), а также малая усадка при застывании.

Указанные свойства сплава позволяют изготавливать из него отливки сложной формы. Также стоит сказать, что выполненные из серого чугуна детали имеют достаточно высокую устойчивость к воздействию на них внешних концентраторов напряжения при циклических нагрузках, а также обладают высоким коэффициентом поглощения колебаний при вибрациях деталей.

Серому чугуну присущи высокие прочностные свойства.

Толщина стенок отливки влияет на временное сопротивление (или предел прочности) серого чугуна. В связи с тем, что данный сплав в своем составе имеет пластинчатые формы графитных включений, то он является хрупким.

Это связано с тем, что характерные пластинчатые графитные включения выполняют роль множественных надрезов в чугуне. Серый чугун имеет следующую прочность: 100 МПа для СЧ 10 и 350 МПа  для СЧ 35.

Не смотря на то, что данный сплав обладает достаточно низкой прочностью на изгиб и высокой хрупкостью, ему присущий достаточно высокий показатель прочности на сжатие.

Благодаря своей износостойкости, чугун является основным материалом для изготовления тех деталей, которые функционируют при большом трении. В силу своих свойств, обработка серого чугуна возможна далеко не всеми способами.

Так, например, большое содержание углерода в составе сплава, которое является основным условием при получении чугуна, не позволяет производить с данным сплавом сварочные работы. Они практически невозможны.

Однако, учитывая технический прогресс и современные методы, все же некоторые условия позволяют совершить с серым чугуном подобные манипуляции. К специальным условиям относятся: предварительный и качественный прогрев делателей, применение специальных электродов с высоким содержанием углерода.

Но даже при всех правильно созданных условиях и сварке, структура металла шва имеет существенные отличия от первоначального материала. Для того, чтобы избежать напряжений в зоне шва, сваренные чугунные детали охлаждаются достаточно медленно.

Структура серого чугуна

Основными компонентами чугуна являются железо и углерод, который содержится в сплаве обязательно в количестве, большем, чем 2,4%. Зачастую содержание углерода колеблется в пределах от 2,9 до 3,7%.

Не смотря на то, что углерод является основным компонентом, он является не единственным, и в составе серого чугуна обязательно присутствуют другие составляющие, в частности, кремний, без которого не возможно образование графита.

Большую роль на формирование внутренней структуры сплава играют условиях охлаждения после затвердевания и само время остывания. В зависимости от этого чугун может обладать ферритной, ферритно-перлитной или сугубо перлитной металлической основой.

Каждая определенная марка чугуна, имеющая оптимальные для конкретного случая сочетания свойств, применяется в совершенно конкретной области. Структурные компоненты серого чугуна обозначаются условно по ГОСТ 3443-87. Например, обозначение пластичного графита, содержащегося в сером чугуне по ГОСТ будет иметь маркировку ПГ. Графит в структуре серого чугуна может иметь различные формы:

•  пластинчатую прямолинейную, имеющую обозначение ПГ ф1;
• пластинчатую завихренную, которая обозначается ПГ ф2;
• игольчатую – ПГ ф3;
• гнездообразную – ПГ ф4.

Структура чугуна имеет очень важное значение для того, чтобы в дальнейшем можно было получить необходимые свойства отливки. В связи с этим, очень важное значение имеют все технологические режимы плавки и заливки при работе с серым чугуном.

Применение серого чугуна

Серый чугун благодаря своим уникальным свойствам в сочетании с достаточно низкой стоимостью является тем материалом, который нашел свое широкое применения, в первую очередь, для изготовления деталей, на которые воздействуют незначительные механические нагрузки.

Таким образом, данный вид материала является очень популярным и востребованным в таких сферах человеческой деятельности, как машиностроение, строительство, сантехнические работы и многое другое.

Также его применяют при изготовлении различных предметов повседневного обихода, кухонной посуды и т.д.

Серый чугун

Изделия из серого чугуна

Сплав железа, имеющего в своем составе углерод, называется чугуном. В некоторых случаях в состав добавляются легирующие добавки, влияющие на его потребительские качества. Чугун — это металл, который применяется в первую очередь в черной металлургии. Из него не только получают сталь, он востребован и при изготовлении кованных художественных деталей.

Серый чугун

Для машиностроения в основном применяется серый чугун, имеющий в своем составе графит. Детали, изготовленные из такого материала, не реагируют на возникающие напряжения, они поглощают колебания, появляющиеся в случае вибрации механизмов. Из него изготавливают детали ответственного назначения:

1. Втулки;
2. Станины станков;
3. Тяжелые основания.

В качестве конструкционного материала его стали применять практически на всех предприятиях машиностроительной отрасли. Самыми большими потребителями серого чугуна стали следующие отрасли промышленности:

1. Автомобилестроение;
2. Станкостроение;
3. Металлургия;
4. Санитарная.

Детали тракторов, материалом которых стал серый чугун, достигают 20% от всего количества его деталей. Такое использование этого сплава связано с высокой износостойкостью. Он не задирается в случае большого трения и отсутствии смазки, иными словами, обладает демпфирующей способностью. Из него изготавливают:

1. Блоки;
2. Крышки подшипников;
3. Тормозные диски;
4. Феррадо;

Для изготовления головки блока различных двигателей, используют низколегированный сплав следующих марок:

Главными требованием, предъявляемыми к СЧ, при производстве гильз, стали:

1. Перлитная структура;
2. Графит;
3. Высокая твердость.

Для моторов автомобилей любой конструкции используются гильзы цилиндров, изготовленные из специального легированного сплава. В большинстве случаев используется его фосфористая фракция.

Дизельные двигатели при работе создают большую нагрузку на блок цилиндров, поэтому для них используют легированные чугуны. Головки цилиндров изготавливают из высокоуглеродистых легированных марок,

Такие же требования соблюдаются при изготовлении отливок гильз, материалом которых является низколегированный сплав. Химический состав этого материала зависит от нескольких технологических характеристик:

1. Способа плавки;
2. Габаритов отливки;
3. Технологичности формы.

На автомобилях устанавливают чугунные распределительные валы, отличающиеся высокой износостойкостью. Этот параметр достигается благодаря поверхностной закалке, которой подвергают металл.

Когда деталь эксплуатируется на больших скоростях, когда имеет место сухое трение, необходимо чтобы была повышенная износостойкость материала и высокий коэффициент трения. Именно в таких условиях данный сплав просто незаменим.

Тормозные барабаны, работающие в таких условиях, изготавливают из СЧ20. Когда деталь испытывает высокие нагрузки, и возможно появление термических трещин, используют специальный термостойкий сплав с высоким содержанием углерода и высоким уровнем легирования.

Для особо тяжелых условий , устанавливают детали, материалом которых является перлитный чугун. В его составе находится вермикулярный графит.

Вращение маховика при работе достигает 7000 об/мин. Такая скорость вызывает появление растягивающих напряжений. Вращающаяся поверхность маховика постоянно касается рабочей поверхности другой детали. Такое трение вызывает сильное выделение тепла в результате возникают термические трещины, которые отрицательно влияют на прочность детали.

Чтобы повысить прочность, учитывая большой вес маховика и размер его сечения, он изготавливается из различных марок:

Он должен обеспечивать прочность заготовки выше 250 Н/мм2. Иногда СЧ 35 имеет прочность, которой не хватает для обеспечения нормальной работы маховика. В этом случае используют чугун, куда добавляют шаровидный графит.

Легковые автомобили могут похвастаться чугунными крышками, закрывающими коренные подшипники. Эта конструкция встречается в большинстве случае на машинах с карбюраторным двигателем. Чтобы обеспечить перлитную структуру, а также высокую твердость, превышающую 200 НВ, для изготовления крышек подшипников, применяют СЧ25.

Изготовление коллекторов

В автомобиле на выпускные коллекторы действуют выхлопные газы, температура которых доходит до 90 градусов. Коллекторы под воздействием агрессивной среды окисляются, деформируются и трескаются.

Использование серого чугуна обеспечивает долговечность таким деталям и высокую экономичность. В связи с тем, что толщина стенок коллектора очень мала, менее 7 мм, для их изготовления применяют СЧ15. Чтобы повысить его жаростойкость, проводят легирование чугуна хромом, или никелевыми добавками.

Для изготовления коллекторов, испытывающих большие термические нагрузки, используют:

1. Ковкий чугун;
2. С добавками шаровидного графита;

Все вышеперечисленные материалы обладают высокой термостойкостью и устойчивостью к агрессивным средам, щелочам и окислам.

Станкостроение

Из серого чугуна в станкостроении изготавливается большое количество литых деталей, работающих во всевозможных условиях, масса которых может достигать 100 тонн, при максимальной толщине стенки 200 миллиметров.

Классификация таких литых деталей в станкостроении, в зависимости от конструкций, от создавшихся условий эксплуатации соответствует действующему стандарту.

Для каждой детали подбирается специальная марка чугуна. Она зависит от следующих параметров:

1. Классности заготовки;
2. Толщины стенки;
3. Твердости;
4. Микроструктуры.

Характеристики и виды чугуна

​В состав чугуна входят железо, углерод и разнообразные примеси, которые придают сплаву определенные свойства. Массовая доля углерода в материале должна быть не менее 2,14%, иначе это будет не чугун, а сталь. Этот элемент придает сплаву повышенную твердость, но снижает его ковкость и пластичность.

Поэтому чугун является достаточно хрупким материалом. Из других постоянных примесей стоит выделить кремний, марганец, серу и фосфор. В некоторые марки чугуна вводят дополнительные присадки, которые позволяют придать сплаву дополнительные свойства.

В качестве легирующих элементов используются хром, никель, ванадий и алюминий.

Плотность чугуна составляет 7,2 грамма на сантиметр кубический. Это является достаточно высоким показателем для металлов и их сплавов. Чугун отлично подходит для литья при производстве разнообразных изделий для всех отраслей промышленности. По этому показателю он незначительно уступает сталям некоторых марок, превосходя все остальные сплавы железа.

Температура плавления чугуна составляет 1200 градусов по Цельсию, что на 250-300 градусов ниже, чем необходимо для плавления стали. Это связано с повышенным содержанием углерода и как следствие его менее тесной связью с атомами железа на межмолекулярном уровне.

При выплавке чугуна и последующей кристаллизации весь углерод не успевает внедриться в структурную решетку железа, поэтому чугун получается хрупким. Его не используют для производства продукции, которая будет эксплуатироваться под воздействием постоянных динамических нагрузок.

Зато он идеально подходит для деталей, к которым предъявляется требование повышенной прочности.

Технология получения чугуна

Получение чугуна – очень материалоемкий процесс, требующий серьезных затрат. На получение одной тонны сплава уходит около 550 килограмм кокса и 900 литров воды. Затраты руды зависят от содержания в ней железа.

Обычно используется сырье с массовой долей элемента не менее 70%, так как обработка более бедных руд экономически неоправданна. Такое сырье сначала проходит процедуру обогащения, а уже потом отправляется на переплавку. Производство чугуна проходит в доменных печах.

Лишь около 2% от всего производимого в мире материала выплавляется в электропечи.

Технологический процесс состоит из нескольких взаимосвязанных этапов. На первом этапе в доменную печь загружают руду, которая содержит так называемый магнитный железняк (соединение двухвалентного и трехвалентного оксидов железа).

Кроме того продукты их горения принимают участие в химических реакциях в качестве восстановителей железа.

Дополнительно в топку подает флюс, который выступает в качестве катализатора и помогает породам быстрее плавиться, освобождаю тем самым железо. Стоит отметить, что перед попаданием в доменную печь руда проходит специальную предварительную обработку.

Они измельчается при помощи дробильной установки, так как мелкие частицы быстрее расплавятся. Затем ее промывают, чтобы удалить все лишние элементы, которые не содержать металла.

После этого высушенное сырье проходит обжиг в специальных печах, который позволяет удалить из соединений серу и другие чужеродные элементы.

Когда доменная печь загружена и готова к эксплуатации начинается второй этап производства. После запуска горелок кокс начинает разогревать сырье, выделяя при этом углерод, который, проходя через воздух, реагирует с кислородом и образует оксид.

Этот оксид активно участвует в восстановлении железа из соединений, находящихся в руде. При этом, чем больше газа становится в печи, тем слабее протекает химическая реакция. После достижения определенной пропорции она им вовсе прекращается.

Избыток газов используется как топливо для поддержания температуры в печи. Такой подход имеет несколько положительных моментов. Во-первых, снижаются затраты ископаемого горючего, что несколько удешевляет производство продукции.

А, во-вторых, продукты горения не выбрасываются в атмосферу, загрязняя ее вредными примесями, а продолжают свое участие в технологическом процессе.

Отходы называют шлаком, который затем пойдет на производство других материалов. После удаления всех лишних частиц в расплав при необходимости добавляют разнообразные присадки.

Таким способом получают два вида сплавов: передельный и литейный чугун.

Разновидности чугуна

Передельный материал используется для производства стали кислородно-конвертерным способом. Этот вид характеризуется низким содержанием марганца и кремния в составе сплава. Литейный чугун идет на производство разнообразной продукции. Он делится на пять разновидностей, который стоит рассмотреть более детально.

Белый чугун является сплавом, в котором избыточная часть углерода содержится в виде цементита или карбида. Свое название он получил за характерный белый цвет в районе излома. Массовая доля углерода в нем составляет более 3%.

Этот материал характеризуется повышенной ломкостью и хрупкостью, поэтому его использование весьма ограничено.

Применяется данный вид при производстве простых деталей, которые работают в статических условиях и не несут дополнительной нагрузки. Добавление в сплав легирующих присадок позволяет повысить технические характеристики материала. Для этих целей используется никель или хром, реже алюминий и ванадий.

Марка данной разновидности, которая носит название «сормайт» используется в качестве нагревательного элемента в различных устройствах. Она обладает хорошими показателями удельного сопротивления и без проблем работает при температурах до 900 градусов по Цельсию.

Из белого чугуна изготавливают ванны для бытовых нужд.

Серый чугун – наиболее распространенная разновидность материала, которая применяется во многих отраслях народного хозяйства. В этом сплаве углерод присутствует в виде графита, перлита или феррито-перлита. Массовая доля углерода находится на уровне 2,5%.

Материал обладает высокой для чугуна прочностью, поэтому используется для производства деталей, имеющих циклическую нагрузку определенного уровня. Из него изготавливают втулки, корпуса различного промышленного оборудования, кронштейны, зубчатые шестеренки.

Графит значительно улучшает действие смазки и снижает влияние трения, так что детали обладают повышенной стойкостью к этому виду износа. При необходимости эксплуатации в агрессивных средах в состав серого чугуна вводятся дополнительные элементы, которые позволят выдержать негативное воздействие.

К ним можно отнести никель, хром, молибден, бор, сурьму, медь. Эти элементы позволяют защитить чугун от влияния коррозии.

Половинчатый чугун является промежуточным материалом между первыми двумя разновидностями. В нем часть углерода содержится в виде графита, а часть – в виде карбида. Также в сплаве могут в незначительных долях присутствовать цементит (до 1%) и лидебурит (до 3%). Массовая доля углерода в материале составляет 3,5-4,2%.

Эта разновидность используется для производства деталей, которые будут проходить эксплуатацию в условиях постоянного трения. К ним относятся тормозные колодки для автомобильной промышленности и разнообразные измельчительные валки для станков. Для повышения износостойкости в сплав по традиции вводятся легирующие присадки.

Ковкий чугун является разновидностью белого сплава, который был подвергнут специальному отжигу с целью графитизации свободного углерода в составе материала. Этот вид обладает улучшенными демпфированными свойствами по сравнению со сталью. К тому же он менее чувствителен к надрезам и хорошо проявляет себя в работе при низких температурах.

Углерод, массовая доля которого составляет до 3,5%, находится в сплаве в виде феррита, феррито-перлита или зернистого перлита с вкраплениями графита. Используется данный материал в автомобильной промышленности для изготовления деталей, работающих в условиях постоянного трения.

Для повышения его эксплуатационных характеристик в сплав добавляют магний, бор и теллур.

Высокопрочный чугун получается в результате образования в сплаве шаровидной формы включения графита в металлическую решетку. Это ослабляет металлическую основу кристаллической решетки и приводит к появлению улучшенных механических свойств.

Процесс образования шаровидного графита производится путем введения в сплав магния, церия, иттрия и кальция. По своим техническим характеристикам материал очень близок к высокоуглеродистой стали. Он хорошо поддается литью и способен заменять стальные литые элементы в механизмах.

Высокий уровень теплопроводности позволяет использовать данный вид при изготовлении отопительных приборов и трубопроводов.

Какие трудности испытывает чугунная промышленность?

Перспективы развития чугунной промышленности выглядят не особо радужно. Высокий уровень затрат на производство одной тонны материала и большое количество отходов заставляют промышленников искать более дешевые заменители.

Быстрое развитие науки уже сейчас позволяет получать лучшие сплавы при меньших затратах. А в условиях глобальной экологической опасности не обращать внимания на загрязняющий фактор производство недопустимо.

Поэтому металлурги по всему миру отказываются от доменных печей в пользу электрического оборудования.

Так что остается лишь ждать, как скоро промышленники сумеют наладить массовый выпуск новых сплавов. Полностью отказаться от чугуна в ближайшие десятилетия, конечно, не получится, но его мировое производство неуклонно будет снижаться.

Эта тенденция наблюдается уже в течение последних 5-7 лет.

Применение серого чугуна: изделия промышленного и бытового назначения

На применение металлических сплавов оказывает влияние два основных фактора: эксплуатационные параметры и экономическая целесообразность.

Второй критерий становится определяющим, когда инженерно-технические характеристики не имеют существенного значения, и производитель руководствуется соображениями максимального удешевления выпускаемой продукции.

В промышленности, в частности, для изготовления изделий, к которым предъявляются требования по сопротивлению воздействию на излом, растяжение, сжатие, металл подбирается с приоритетным вниманием к расчетным значениям прочности, надежности, гибкости, устойчивости к статическим нагрузкам и вибрационным колебаниям.

Черный металл серого цвета

Стальные сплавы по сравнению с чугунными стоят дороже, что связано с более сложной и дорогостоящей производственной спецификой. Поэтому чугун используют там, где можно сэкономить на финансовой составляющей.

В зависимости металлической структуры отличают пять основных видов этого материала: белый, серый, ковкий, высокопрочный, половинчатый.

Определяющим фактором для классификации служит форма графита в составе кристаллической решетки.

Самый хрупкий чугун — белый, содержащий вместо графитовых частиц ладебурит. Чугунные сплавы, называющиеся «серыми», объединяют в свою группу так же и ковкие разновидности, что вносит определенную путаницу в понимание вопроса.

Для упрощения используют обобщенные стандарты, где серый чугун — это металлический материал на основе железа с графитом (придает характерный цвет на изломе) и другими добавками, которые используют для легирования и формирования необходимых свойств.

Преимущества и недостатки

Серый чугун обладает следующими особенностями, которые оправдывают его применение в промышленном производстве:

• стойкость к усилиям на сжатие;
• поглощение вибрационных колебаний (на порядок выше, чем у стали);
• не накапливает напряжение на цикличных нагрузках («усталость металла»);
• благодаря текучести в расплаве и малой усадке при застывании хорошо подходит для литья.

Наряду с достоинствами, у материала есть и недостатки, ограничивающие сферу практического использования. Основной из них заключается в хрупкости, что связано с графитовыми включениями, которые создают в металлической структуре своеобразные «надрезы».

По сути, это уязвимости, делающие металл менее плотным и цельным (если сравнивать со стальными сплавами).

Поэтому серый чугун нельзя использовать там, где действуют ударные нагрузки (к примеру, чугунный самурайский меч при первом же сильном ударе разлетится на куски не хуже стеклянного).

Основное преимущество стали заключается в устойчивости к растяжению и в способности сохранять заданную форму при усилиях на излом, в том числе, с возвращением после прогиба к первоначальному виду. Если внести в серый чугун легирующие добавки, то можно добиться приближения его физико-химических параметров к стальному сплаву.

Получающиеся в итоге материалы относятся к редким и мало используемым. В промышленных целях и для изготовления полезных изделий применяют чугунные составы с «классической» формулой, где содержание углерода составляет в среднем три процента, кремния — один-два, марганца — около одного процента.

Их отличительная особенность — исключительная стойкость к сжатию, вибрации и микроколебаниям, накапливающимся в усталость металла.

Где это востребовано?

Значимая часть деталей в машиностроении производится из серого чугуна. К примеру, в сельскохозяйственном тракторе количество чугунных элементов от общей массы достигает двадцати процентов.

Это, прежде всего, те механизмы и фрагменты механических узлов, которые подвержены микровибрациям в двигателе и подшипниках, с основной нагрузкой на сжатие. В промышленных станках тяжелые основания, станины, втулки изготовлены из металлического сплава, содержащего графитовые включения.

Серый чугун обойдется дороже в случае с некоторыми изделиями бытового и декоративного назначения:

• Обычная стальная ванна стоит дешевле чугунной, но понежится в таком сосуде долго не получится, так как тонкие стенки быстро прощаются с теплом.

• Железные ограждения сварного типа, пусть даже в сложном исполнении, по деньгам доступнее, чем литые фрагменты из чугуна.

• «Устаревшие» чугунные батареи отопления по цене стоят приблизительно столько же, сколько «технологичные» радиаторы бюджетного сегмента, но первые держат резкие перепады давления, а вторые дают течь после сильного гидроудара.

Благодаря содержанию графита железо приобретает стойкость к окислению, что делает материал устойчивым к разрушению от коррозии.

Трубы и арматура с корпусом из серого чугуна используются при прокладке коммуникаций магистрального и локального значения.

Чугунные фитинги, задвижки, отводы, переходники применяют не только в водопроводах, но и в системах подачи природного газа, а также для трубопроводной транспортировки химически агрессивных жидких и газообразных составов.

16 сентября 2017

с друзьями: