Химический состав чугуна: состав чугуна, каково содержание в нем углерода и железа, сфера использование материала

Что такое чугун — формула, состав, виды и преимущества

Что такое чугун

Чугун  — это сплав железа (Fe) и углерода (C), при этом содержание углерода в сплаве составляет 2,14% и выше. Но при выплавке чугуна, в сплав всегда попадают примеси, а также добавляются легирующие элементы, поэтому данное соотношение всегда относительно, и может изменяться.

По содержанию углерода относительно эвтектики различают три вида чугуна. Эвтектика – состав сплава с минимальной температурой плавления.

Содержание углерода в чугуне ориентировочно составляет 4,3%. Поэтому он подразделяется на следующие виды:

• доэвтектический — 2,14 — 4,3% углерода;
• эвтектический — 4,3% углерода;
• заэвтектический — от 4,3 до 6,67% углерода.

 

Формула чугуна

Типичный состав чугуна имеет следующие составляющие:

• Железо (Fe)  — основа чугунка
• Углерод (С) – 1 — 4,5%
• Кремний (Si) – 0,2 – 3,75%

 

• Марганец (Mn) – 0,2 – 1,75% (вредная примесь)
• Фосфор (Р) – 0,1 – 1,2% (вредная примесь)
• Сера (S) – 0,02 – 0,08% (вредная примесь)

 

• Хром (Cr) (легирующий компонент)
• Никель (Ni) (легирующий компонент)
• Молибден (Mo) (легирующий компонент)

 

Виды чугуна

В основном чугун классифицируют по форме углерода, который содержится в сплаве.

Белый чугун

Белый чугун имеет характерный окрас скола, так как углерод (С) входит в состав в виде цементита (Fe3C), который образуется когда расплав остывает. Цементит – это твердый тугоплавкий материал.

В доэвтектическом сплаве углерод содержится в перлите и ледебурите. В эвтектическом сплавеуглерод входит в состав ледебурита. В заэвтектическом он содержится в первичном цементите и ледебурите.

В первоначальном виде он нигде не используется, т.к. его тяжело обрабатывать инструментами при механической обработке. Конечно, возможно использовать насадки из карбидов (ВК), но трудоемкость процесса очень велика. Поэтому белый чугун используется в качестве сырья для получения ковкого чугуна.

Серый чугун

Серый чугун также берет свое названия от оттенка на сколе. Он имеет в составе фракции графита, которые могут иметь разную форму. При добавке кремния, он способствует осаждению углерода.

Физико-механические свойства, а также структура серого чугуна, зависят от условий остывания после кристаллизации.

Быстрое охлаждение приведет к преобладанию перлита в составе чугуна. Закалка (другими словами термообработка) может повысить прочность и твердость, но при этом чугун становится хрупким, что может быть не приемлемо.

Медленное остывание приводит к росту содержания феррита. Феррит – это сплав железа с оксидами, в основном с Fe2O3. При таких условиях улучшается пластичность.

Поэтому условия, при которых остывает сплав, выбирают, ориентируясь на желаемые параметры конечного продукта.

Серый чугун используется для литых изделий и конструкций (чугунного литья).

Он имеет невысокую температуру отвердения, хорошую жидкотекучесть, нет склоненности к образованию раковин. Серый чугун хорошо реагирует на сжатие, но плохо противостоит растяжению/изгибу. Это происходит из-за углеродных вкраплений, которые приводят к низкой трещиностойкости.

Маркировка серого чугуна состоит из символов СЧ (серый чугун) и цифры, которая обозначает предельную прочность в кг/мм2: например, СЧ35. В наиболее распространенных чугунах содержание углерода ниже 3,7%.

Ковкий чугун

Для производства ковкого чугуна, белый чугун нагревают до необходимой температуры, выдерживают определенное время, и потом медленно охлаждают (процесс называется «отжигом»). Это способствует процессу распада Fe3C и выделению графита с образованием феррита.

При этом включения углерода по не имеют схожести с аналогичными в сером чугуне. Поэтому стойкость к разрыву и ударная вязкость из-за этих различий характерна ковкому чугуну.

Маркировка ковкого чугуна состоит из букв «КЧ» и добавления цифр, которые указывают на допустимую прочность на растяжение в МПа х 10-1 и максимальное относительное удлинение. Например: КЧ 37-12.

Высокопрочный чугун

Высокопрочный чугун это вид серого чугуна, в котором графитовые образования имеют шаровидную форму. Из-за такой округлости включений кристаллическая решетка становится не склонна к образованию трещин.

Высокопрочные чугуны имеют ценные первичные свойства чугунов (стойкость к сжатию, жидкотекучесть и т. д.), при этом имеют характерные для сталей предел текучести при растяжении, трещиностойкость и пластичность.

Маркируется аналогично ковкому, но с буквами «ВЧ».

Передельный чугун

Передельный чугун используется как сырье для выплавки стали. При этом он может даже не покидать предприятие, где его произвели.

Специальный чугун

К таким видам чугуна относят антифрикционный чугун и легированный чугун.

Выпуск этих марок имеет не большой объем, примерно до 2% от всего впускаемого чугуна. Такие виды чугуна могут иметь в составе большое количество легирующих элементов. Сфера использования имеет ограниченные цели и специфические условия.

Антифрикционный чугун может использоваться для изготовления деталей, подвергающихся трению. Основным компонентом для легирования является хром, также могут использоваться никель, титан, медь и другие металлы. Он имеет высокую твердость (до HB 300) и низкий коэффициент трения (до 0,8 при отсутствии смазки).

Базовыми материалами для производства антифрикционного чугуна являются серый, ковкий и высокопрочный чугуны. Маркируется соответственно – АЧС, АЧК, АЧВ.

Достоинства и недостатки чугуна

Характеристики чугуна обсуждаются по сравнению со сталью, хотя, например, низкокачественная углеродистая сталь – это по сути тот же чугун.

По некоторым показателям (плотность, магнитные свойства, химическая реакция) эти ферросплавы практически идентичны, но имеют большие отличия в сферах применения.

Преимущества чугуна:

1. Низкая стоимость. Углерод появляется как часть процесса выплавки из руды. Поэтому если снижать его содержание, это приведет к удорожанию сплава.
2. Превосходные литейные качества. Расплав чугуна имеет хорошую текучесть, низкую усадку при кристаллизации и относительно низкую температуру плавления.
3. Изделия из чугуна имеют хорошую прочность, твердую поверхность, износостойкость.
4. Чугун, который используется в машиностроении, хорошо поддается обработке резанием.
5. Долговечность. Даже при применении в сантехнических и канализационных деталях.
6. Простота утилизации.

Недостатки чугуна:

1. Хрупкость. Мало пригоден для обработки давлением, из-за содержания углерода.
2. Плохая свариваемость. Технология сварки чугуна довольно сложна, большой риск возникновения дефектов.
3. Массивность изделий. Сложно изготавливать тонкостенные конструкции, стенки которых могут не выдержать собственного веса.
4. Окисляемость. Легко ржавеет во влажной среде, поэтому детали, которые используются на открытом воздухе, необходимо защищать от коррозии специальными средствами.

Серый чугун

Химический состав серого чугуна (ГОСТ 1412-85) Марка чугуна Массовая доля элементов, % C Si Mn P S не более СЧ10 3,5-3,7 2,2-2,6 0,5-0,8 0,3 0,15 СЧ15 3,5-3,7 2,0-2,4 0,5-0,8 0,2 0,15 СЧ20 3,3-3,5 1,4-2,4 0,7-1,0 0,2 0,15 СЧ25 3,2-3,4 1,4-2,2 0,7-1,0 0,2 0,15 СЧ30 3,0-3,2 1,3-1,9 0,7-1,0 0,2 0,12 СЧ35 2,9-3,0 1,2-1,5 0,7-1,1 0,2 0,12 Рекомендуемый химический состав для серого чугуна в соответствии со стандартными марками по ISO Марка чугуна Массовая доля элементов, % C Si Mn P S не более 100 3,5-3,8 2,3-2,8 0,4-0,8 0,2 0,06-0,15 150 3,4-3,7 2,1-2,6 0,5-0,8 0,2 0,06-0,15 200 3,2-3,5 1,8-2,3 0,6-0,8 0,2 0,06-0,15 250 3,1-3,4 1,6-2,1 0,6-0,8 0,15 0,06-0,12 300 3,0-3,2 1,3-1,9 0,7-0,9 0,1 0,06-0,12 350 2,9-3,1 1,1-1,5 0,8-1,0 0,1 0,06-0,12  Ориентировочные данные о временном сопротивлении при растяжении и твердости в стенках отливки различного сечения (ГОСТ 1412-85) Марка чугуна Толщина стенки отливки, мм 4 8 15 30 50 80 150 Временное сопротивление при растяжении, МПа, не менее СЧ10 140 120 100 80 75 70 65 СЧ15 220 180 150 110 105 90 80 СЧ20 270 220 200 160 140 130 120 СЧ25 310 270 250 210 180 165 150 СЧ30 — 330 300 260 220 195 180 СЧ35 — 380 350 310 260 225 205 Твердость НВ, не более СЧ10 205 200 190 185 156 149 120 СЧ15 241 224 210 201 163 156 130 СЧ20 255 240 230 216 170 163 143 СЧ25 260 255 245 238 187 170 156 СЧ30 — 270 260 250 197 187 163 СЧ35 — 290 275 270 229 201 179 Физические свойства серого чугуна с пластинчатым графитом (ГОСТ 1412-85) Марка чугуна Плотность, кг/м3 Линейная усадка, % Модель упругости при растяжении, х 103 МПа Удельная теплоемкость при температуре от 20 до 200ºС, Дж/(кг*К) Коэффициент линейного расширения при температуре от 20 до 200ºС, 1/ ºС Теплопроводность при 20 ºС, Вт/(м*К) СЧ10 6,8*103 1,0 700-1100 460 8,0*10-6 60 СЧ15 7,0*103 1,1 700-1100 460 9,0*10-6 59 СЧ20 7,1*103 1,2 850-1100 480 9,5*10-6 54 СЧ25 7,2*103 1,2 900-1100 500 10,0*10-6 50 СЧ30 7,3*103 1,3 1200-1450 525 10,5*10-6 46 СЧ35 7,4*103 1,3 1300-1550 545 11,0*10-6 42

Серый чугун — свойства, состав и марки

Серый чугун

Серый чугун называется так, благодаря включениям графита, которые дают характерный оттенок  на изломе. Он обладает хорошими литейными свойствами, которые обеспечивают широкое применение в машиностроении. Отливки из серого чугуна обладают высокой прочностью и износостойкостью.

Маркировка серого чугуна

Технические характеристики серого чугуна для изготовления отливок, в Украине регламентируется ГОСТ 1412-85 «Чугун с пластинчатым графитом для отливок. Марки».

Маркировка чугуна с пластинчатым графитом (серого чугуна) состоит из букв СЧ (первые буквы слов «серый чугун») и двух цифр, которые отображают предел прочности при растяжении σB (в кгс/мм2). Например, чугун с маркировкой СЧ35 означает —  это серый чугун с пластинчатым графитом, у которого с предел прочности на растяжение не ниже — 35 кгс/мм2.

Химический  состав серого чугуна

Оптимальное значение по содержанию углерода в сером чугуне составляет 2,4-3,7%. Если концентрация будет более низкой — углерод полностью растворится в железе, более высокая концентрация приведет к потере твердости и упругости.

Содержание кремния может варьироваться от 1,2 до 2,5%. Кремний является участником процесса графитизации, при этом повышается твердость металла и снижается его вязкость. Влияние этих элементов должно рассматриваться в совокупности, с учетом их суммарной концентрации.

Сера вступает в реакцию с железом и образовывет сульфид FeS, снижающий прочность и пластичность сплава. Содержание серы может быть не более 0,12-0,15%.

Для смягчения влияния серы используется марганец, который способствует образованию свободных карбидов железа. Количество добавляемого марганца зависит от содержания серы, и может составлять от 0,5 до 1.1%.

Доля фосфора не превышает 0,2-0,3%. Фософор образует включения фосфидной эвтектики, которая увеличивает твердость и износоустойчивость.

Также, в зависимости от марки чугуна, в его составе могут быть следующие элементы:

• хром – увеличивает карбидообразование, при этом повышается твердость и прочность чугуна;
• олово — способствует равномерному распределению твердости по разным сечениям;
• никель и молибдена – повышают сопротивляемость коррозийным процессам и улучшают обрабатываемость;
• медь — ускоряет графитизацию, увеличивает упругость и стойкость к коррозии, улучшает обрабатываемость;
• сурьма – (содержание до 0,08%) влияет на процесс кристаллизации.

Как химические элементы влияют на свойства серого чугуна:

1. Углерод (C) — приводит к понижению прочности, повышению пластичности, улучшению литейных свойств, а также в наибольшей степени способствует графитизации чугуна.

2. Кремний (Si) — приводит к укрупнению включений графита, повышению механических свойств, улучшению литейных свойств, способствует графитизации. Если содержание кремния больше 3% снижает пластичность.

3. Марганец (Mn) — удаляет серу и раскисляет чугун; приводит к торможению процесса графитизации, повышению склонности к отбелу, дисперсности перлита, механических свойств (содержание марганца 0,7-1,3%, дальнейшее увеличение доли имеет обратное действие), увеличивает усадку.

4. Сера (S) — является вредной примесью. Сера образует с железом легкоплавкую эвтектику (температура плавления 985°C). При размещении на границах кристаллов, она снижает механические свойства чугуна, его жидкотекучесть, повышает усадку, придает чугуну «красноломкость» (образование трещин при высоких температурах).

5. Фосфор (P) — является вредной примесью, способствует повышению жидкотекучести и хрупкости (содержание фосфора в машиностроительных отливках не должно превышать 0,2%).

6. Никель (Ni) — является легирующим элементом, выравнивающим механические свойства отливок со стенками разной толщины, приводит к повышению твердости, коррозионной стойкости и обрабатываемости резанием.

7. Медь (Cu) — способствует графитизации, увеличению жидкотекучести, повышению прочности и твердости.

8. Хром (Cr)  — тормозит процесс графитизации, приводит к измельчению графита, повышению дисперсности перлита, прочности, твердости, понижению пластичности и литейных свойств.

9. Титан (Ti)  — способствует графитизации (при содержании до 0,05%), при большем содержании тормозит этот процесс, повышает механические свойства.

10. Магний (Mg) — способствует графитизации (при содержании до 0,01%), при большем содержании увеличивает отбел, является сильным десульфуратором.

11. Молибден (Mo) — является легирующим элементом, который замедляет графитизацию, способствует карбидообразованию, повышению твердости (без ухудшения обрабатываемости) и сопротивлению износу.

Рекомендуемый химический состав серого чугуна для отливок согласно ГОСТ 1412-85, приведен в табл. 1.

Таблица 1: Химический состав серого чугуна по ГОСТ 1412-85

Марка	Массовая доля элементов, %
	Основные компоненты			Примеси, не более
	C	Si	Mn	P	S
СЧ10	3,5-3,7	2,2-2,6	0,5-0,8	0,3	0,15
СЧ15	3,5-3,7	2,0-2,4	0,5-0,8	0,2	0,15
СЧ20	3,3-3,5	1,4-2,4	0,7-1,0	0,2	0,15
СЧ25	3,2-3,4	1,4-2,2	0,7-1,0	0,2	0,15
СЧ30	3,0-3,2	1,3-1,9	0,7-1,0	0,2	0,12
СЧ35	2,9-3,0	1,2-1,5	0,7-1,1	0,2	0,12

 

Классификация серого чугуна в зависимости от структуры

Состав и структура серого чугуна напрямую влияет на его свойства, а также применение конкретной марки чугуна. Скорость охлаждения после затвердевания является одним из важных факторов, которые влияют на формирование металлической основы.

Перлитная основа. Если отливка охлаждается быстро, перлитная структура составит  большую долю, которая состоит из феррита и карбида, а также тонких пластинок графита. Чугун на перлитной основе имеет высокую твердость и прочность.

Ферритно-перлитная. При медленном охлаждении в структуре серого чугуна увеличивается доля феррита – сплава железа с оксидами Fe2O3 и других металлов. Такая основа, которая состоит из феррита, перлита и пластинчатого графита, имеет более высокую пластичность.

Ферритная основа образуется при быстром охлаждении. Она состоит из вязкого феррита и свободного углерода в виде пластинок графита. Присутствие пластинок графита приводит к ухудшению механических свойств чугуна, снижает его прочность и сопротивляемость растяжению. В то же время графит:

• повышает износостойкость;
• улучшает обрабатываемость;
• снижает усадку в процессе литья;
• гасит вибрацию деталей.

Таблица 2: Физические свойства чугуна с пластинчатым графитом

Наименование параметра	Величина параметра для марки
	СЧ10	СЧ15	СЧ20	СЧ25	СЧ30	СЧ35
Плотность ρ, кг/м3	6,8·103	7,0·103	7,1·103	7,2·103	7,3·103	7,4·103
Линейная усадка ε, %	1,0	1,1	1,2	1,2	1,3	1,3
Модуль упругости при растяжении, Е·10-2 МПа	700-1100	700-1100	850-1100	900-1100	1200-1450	1300-1450
Удельная теплоемкость при температуре от 20 до 200°С, С, Дж (кг·К)	460	460	480	500	525	545
Коэф. линейного расширения при температуре от 20 до 200°С, α 1/°С	8,0·10-6	9,0·10-6	9,5·10-6	10,0·10-6	10,5·10-6	11,0·10-6
Теплопроводность при 20°С, λ, Вт(м·К)	60	59	54	50	46	42

Серый чугун и его механические свойства

Серый чугун обладает такими основными характеристиками, которые обеспечивают его применение в литейном производстве:

• небольшая температура отвердевания;
• высокая жидкотекучесть;
• отсутствие склонности к образованию раковин;
• малая объемная усадка.

При этом для конечного пользователя отливок из серого чугуна большое значение имеют следующие показатели:

• прочность серого чугуна;
• износостойкость при трении;
• герметичность, то есть устойчивость к образованию трещин и пор.

Эти показатели зависят от структуры и твердости серого чугуна. Чем меньше размеры графитовых пластинок, тем выше эти показатели. Детали, подвергающиеся постоянным ударно-абразивным нагрузкам, должны обладать особенно высокой твердостью. Герметичность важна в таких изделиях, как трубопроводы, насосы и компрессоры, гидравлические приводы, которые эксплуатируются в условиях большого давления жидкостей или газов. При этом степень герметичности зависит от параметров текучести, изменения давления и наличия транзитной микропористости.

Наибольшей прочностью обладает перлитный серый чугун. Это позволяет применять его в производстве деталей машин, которые подвергаются высокой нагрузке.

Серый чугун склонен к растрескиванию при сварке, а некоторые сорта вообще не поддаются сварке.

Таблица 3: Механические свойства серого чугуна по ГОСТ 1412-85

Марка	Марка чугуна по СТ СЭВ 4560-84	Временное сопротивление при растяжении σВ, МПа, (кгс/мм2), не менее
СЧ10	31110	100 (10)
СЧ15	31115	150 (15)
СЧ18	—	180 (18)
СЧ20	31120	200 (20)
СЧ21	—	210 (21)
СЧ24	—	240 (24)
СЧ25	31125	250 (25)
СЧ30	31130	300 (30)
СЧ35	31135	350 (35)

Структура чугуна зависит от толщины стенок чугунных отливок. В зависимости от толщины стенки отливки, чугун кристаллизуется и охлаждается с различной скоростью (чем толще стенка отливки, тем ниже скорость охлаждения и тем больше выделяется графита в структуре чугуна и тем ниже прочностные характеристики материала отливки). Зависимость прочностных характеристик чугуна от толщины стенок отливок приведена в табл. 4.

Таблица 4: Ориентировочные данные о временном сопротивлении при растяжении и твердости в стенках отливок различного сечения по ГОСТ 1412-85

Марка чугуна	Толщина стенки отливки, мм
	4	8	15	30	50	80	150
Временное сопротивление при растяжении, МПа, не менее
СЧ10	140	120	100	80	75	70	65
СЧ15	220	180	150	110	105	90	80
СЧ20	270	220	200	160	140	130	120
СЧ25	310	270	250	210	180	165	150
СЧ30	—	330	300	260	220	195	180
СЧ35	—	380	350	310	260	225	205
Твердость НВ, не более
СЧ10	205	200	190	185	156	149	120
СЧ15	241	224	210	201	163	156	130
СЧ20	255	240	230	216	170	163	143
СЧ25	260	255	245	238	187	170	156
СЧ30	—	270	260	250	197	187	163
СЧ35	—	290	275	270	229	201	179

 

 

 

Чугун Виды, состав и назначение чугунов. Статьи компании «ООО ПФК Металлосфера»

Виды, состав и назначение чугунов

Чугун представляет собой многокомпонентный сплав железа с углеродом ( > 2.14%), кремнием, марганцем, фосфором и серой. В зависимости от назначения чугуна и от состава проплавляемых шихтовых материалов в нем может содержаться еще хром, никель, ванадий, титан, медь и мышьяк.

Содержание основных элементов (С, Si, Mn, P, S, Cr, Ni, Cu, As) в чугуне регламентируется соответствующим ГОСТом или техническими условиями.

Состав чугуна, получаемый в ходе доменной плавки, определяется требованиями потребителей и возможностями доменной плавки. Сообразно с этим стремятся подобрать состав шихтовых материалов и технологический режим плавки.

Все доменные чугуны по своему назначению подразделяют на два основных вида:

Передельный – предназначен для дальнейшего передела в сталь.

Литейный — используется после переплава в чугуноплавильных цехах для отливки изделий или присадки в сталеплавильном и чугунолитейном производствах.

Следует отметить, что в последние годы передельный чугун используют не только для выплавки стали, но и для переплавки в чугунолитейных цехах для производства чугунных отливок.

Передельный чугун является преобладающим видом продукции доменного производства. На его долю приходится около 90% общего производства чугуна.

Он предназначен для произ¬водства стали в конвертерах или мартеновских печах и обычно содержит 0,3-1,2 % Si; 0,2-1,0 % Мn, 0,15-0,2 % Р и 0,02-0,07 % S.

В чугуне некоторых марок, предназначенных для передела в кислых конверторах, фосфора должно быть очень мало ( < 0,07 0=»» p=»» >

Литейный чугун по содержанию фосфора делят на четыре класса:

А — до 0,1 % Р (малофосфористый),

Б — 0,1-0,3 % Р (обычный),

 

В и Г — высокофосфористые чугуны с содержанием фосфора соответственно 0,31-0,7 и 0,71-1,2 %.

Для изготовления высокопрочных изделий применяют чугуны с низким содержанием фосфора, а для художественного литья — высокофосфористые чугуны.

Каждый класс литейных коксовых чугунов (ЛК) состоит из шести марок. Наиболее кремнистый чугун марки ЛК 0 содержит 3,26-3,75 % Si.

В каждой следующей марке кремния содержится на 0,5 % меньше.

Кроме того, каждую марку делят на три группы по содержанию марганца (0,5; 0,51-0,90 и 0,91-1,3%) и на три категории по содержанию серы (0,02-0,05; 0,03-0,06 и 0,04-0,07 %).

В зависимости от химического состава и скорости охлаждения кристаллизация чугуна заканчивается образованием белого, половинчатого или серого чугуна.

Белый чугун имеет в своей структуре цемен¬тит и перлит и обладает светлым изломом. Весь углерод в нем находится в связанном состоянии. Он очень тверд и хорошо сопротивляется износу, но вместе с тем хрупок и плохо поддается механической обработке.

Поэтому белый чугун применяется для изготовления отливок с большой поверхностной твердостью: валков прокатных станов, штампов, волочильных досок и многих деталей сельскохозяйственного машиностроения.

После длительного отжига он приобретает высокие механические свойства и хорошую обрабатываемость режущим инструментом вследствие разложения цементита на железо и углерод отжига.

Половинчатый чугун состоит из перлита, цементита и небольших включений графита, расположенных островками в виде скоплений пластинчатой формы. Он обладает повышенной твердостью и почти не поддается механической обработке, в силу чего в машиностроении распространения не получил.

Серый чугун характеризуется наличием значительного количества графитных включений пластинчатой или шаровидной формы. В зависимости от структуры металлической основы серый чугун делится на три группы: феррито-перлитный, перлитный и перлито-цементитный.

Феррито-перлитный серый чугун имеет в своей структуре феррит, перлит и графит. Вследствие большого количества пластинок графита и структурно свобод¬ного феррита этот чугун мягок, легко обрабатывается и по срав¬нению с перлитным чугуном отличается меньшей прочностью.

В феррито-перлитном чугуне графит может иметь и шаровидную форму, если чугун перед разливкой обработан магнием. Приме¬няется феррито-перлитный чугун для отливки большинства ма¬шиностроительных деталей.

Перлитный серый чугун состоит из перлита, содержащего 0,8% связанного углерода, и равномерно распределенных пластинок графита. Этот чугун обладает высо¬кой прочностью, умеренной твердостью и хорошей обрабатывае¬мостью.

Перлитный высокопрочный магниевый чугун обладает еще более высокими механическими свойствами и износоустойчивостью.

Перлито-цементитный серый чугун имеет в своей структуре перлит, графит и большое количество мелких разрозненных выделений цементита.

Располагаясь по границам исходных аустенитных зерен, цементит ослабляет связь между ними и понижает прочность металлической основы чугуна. Обладая большой твердостью, перлито-цементитный чугун с тру¬дом обрабатывается режущим инструментом. Однако после отжига он приобретает перлитную структуру и высокие показа¬тели прочности.

Ферритный серый чугун из-за наличия феррита и крупнопластинчатого графита обладает низкой прочностью, малой твердостью и легкой обрабатывае¬мостью, в связи с чем может применяться только для неответственных отливок.

Обычный серый чугун имеет следующий хи¬мический состав: 3,0-3,8% углерода, 2,2-3,0% кремния, 0,5-11,0% марганца, до 0,12% серы и до 0,2% фосфора. Углерод и кремний являются важнейшими элементами, входящими в состав чугуна. Они оба способствуют выделению углерода в форме графита и, понижая температуру плавления чугуна, обеспечивают его высокие литейные и технологические свойства. Углерод присутствует в чугуне в форме графита и в связанном состоянии — в виде цементита. Кремний в чугуне растворяется в его металлической основе и способствует про¬цессу выделения графита.

Марганец увеличивает твердость чугуна, так как препятствует процессу выделения углерода в свободном состоянии. С углеродом марганец образует химическое соединение Мn3С — карбид марганца, способный растворяться в цементите, увели¬чивая его устойчивость. Следовательно, действие марганца на свойства чугуна обратно действию кремния.

Поэтому, если содержание марганца в чугуне повышено, то для устранения его отбеливающего действия увеличивают содержание кремния.

Сера попадает в чугун из руд и топлива и считается вредной примесью. Она способствует отбеливанию чугуна, делает его тугоплавким и склонным к образованию газовых пузырей в отливках.

Фосфор в небольших количествах является полезной примесью, увеличивающей жидкотекучесть серого чугуна, что является особо ценным при производстве тонкостенного литья. Так, при изготовлении художественных изделий, отличающихся боль¬шой ажурностью, содержание фосфора повышают до 1 и более процентов. Однако значительное содержание фосфора в чугуне вследствие образования хрупких фосфидных соединений сильно понижает его механические свойства.

Водород является также вредной примесью. Попадая в чугун из влажного воздуха и шихты, он повышает устойчивость цементита, вызывает отбел и образование раковин в отливках.

Таким образом, углерод и кремний способствуют процессу графитообразования в чугуне, а марганец, сера, кислород и во¬дород, наоборот, препятствуют этому процессу. Из легирующих элементов никель, алюминий и медь являются графитизаторами, а хром, вольфрам, молибден, ванадий — карбидообразователями.

Влияние химического состава чугуна на его механические свойства

В.А. Изосимов, Р.Г. Усманов, М.Н. Канафин
(ООО «НПП «Технология», г. Челябинск)

Значительным достижением в развитии машиностроения является разработка способа получения высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. В этом материале хорошо сочетаются высокие физико-механические и технологические свойства. В результате многочисленных исследований и большого производственного опыта установлено, что высокопрочный чугун (ВЧ) во многих случаях может успешно применяться взамен серого и ковкого чугуна, углеродистой и легированной стали.
Замена обычного серого чугуна высокопрочным позволяет значительно снизить вес отливок за счет уменьшения толщины их сечений, при сохранении и даже повышении эксплуатационной надежности.
Наиболее целесообразным в технико-экономическом соотношении является применение высокопрочного чугуна взамен стали для тонкостенных литых деталей сложной конфигурации. Этот чугун по сравнению со сталью обладает в 1,5-2,0 раза большей жидкотекучестью, не склонен к образованию горячих трещин и обеспечивает получение плотного металла в малых сечениях без применения «напусков». Вместе с тем стоимость литья из высокопрочного чугуна на 25-30% ниже стоимости стального литья.
Применение высокопрочного чугуна во многих случаях позволяет значительно снизить вес деталей и повысить коэффициент использования металла. Однако следует отметить что, несмотря на указанные преимущества высокопрочного чугуна по сравнению с другими литейными сплавами, область его применения и масштабы производства в России до последнего времени весьма ограничены. Это объясняется тем, что при организации массового производства отливок из этого чугуна встречаются значительные затруднения.
Наиболее трудной задачей является получение отливок из чугуна марок ВЧ40 и ВЧ60 по ГОСТ 7293-85. Вместе с тем применение чугуна этих марок позволяет в наибольшей степени использовать его высокие физико-механические свойства.
Основное затруднение заключается в том, что полученный металл не всегда соответствует требованию по механическим свойствам, особенно по характеристикам пластичности и вязкости.
В отливках часто образуются дефекты в виде «черных пятен», значительно снижающих прочность деталей. Характерными для отливок из ВЧ являются также усадочные дефекты и мелкие поверхностные газовые раковины.
Значительную трудность представляет получение перлитной структуры для марки ВЧ60, в которой феррита должно быть не более 20%.
В целях преодоления указанных затруднений авторами в сотрудничестве с работниками ряда заводов выполнялись работы, по результатам которых разработан и внедрен технологический процесс изготовления отливок из ВЧ, предусмотренных ГОСТ 7293-85. Активное участие в этих работах принимали специалисты кафедры «Литейное производство» ЮУрГУ.

Химический состав, выплавка и разливка чугуна.

Многочисленные наблюдения показали, что при производстве ВЧ встречается несколько характерных типов микроструктуры графита. Условно они названы: шаровидный, вермикулярный и смешанный.
В результате исследований установлено, что чугун со смешанной формой графита получается при содержании магния менее 0,035% и содержании углерода в жидком чугуне менее 3,0-3,2% перед вводом магния.
Для получения чугуна с полностью шаровидным графитом необходимо обеспечить содержание магния в пределах 0,04-0,1%, а также достаточное содержание углерода, причем шаровидный графит получается тем более устойчиво, чем выше содержание углерода в металле перед вводом магния.
Указанная закономерность не всегда согласуется с литературными данными /1,2/, в которых указывается, что для обеспечения получения шаровидного графита в чугуне с увеличением в нем содержания углерода, нужно увеличивать дозировку магния.
Для устойчивого получения шаровидного графита необходимо также, чтобы содержание серы в металле до ввода магния было не более 0,02%. /3, 4/
Форма графита в ВЧ оказывает решающее влияние на его пластичность и вязкость и мало сказывается на характеристиках прочности, что видно на рис. 1,2, где показаны результаты испытания механических свойств этого чугуна множеством плавок.

Рис. 1. Влияние формы графита на механические свойства высокопрочного чугуна
Рис. 2. Влияние формы графита на механические свойства высокопрочного чугуна

Влияние микроструктуры металлической основы на механические свойства ВЧ общеизвестно. Однако возникла необходимость в уточнении количества допустимого перлита в ферритном чугуне, учитывая, что в результате отжига некоторое его количество во многих случаях сохраняется. В связи с этим производилось изучение микроструктуры и механических свойств чугуна в лабораторных и производственных условиях. Форма графита в этих чугунах была полностью шаровидной. Химический состав колебался в сравнительно небольших пределах.
Полученные результаты (рис.3) показывают, что в ферритном чугуне марки ВЧ40 допустимо 10-15% перлита, а в марке ВЧ60 феррита может быть не более 10%.

Рис. 3. Влияние количества перлита в металлической основе на механические
свойства высокопрочного чугуна

В перлитном и ферритном ВЧ совершенно недопустим цементит, т.к. даже весьма незначительное его количество понижает ударную вязкость до значения менее 1кгм/см2.
Исследования влияния химического состава ВЧ на его механические свойства проводились на чугуне, выплавленном в лабораторных условиях в индукционной печи, а также в различных производственных агрегатах (вагранки, дуговые электропечи) на ряде заводов Урала. Во всех случаях использовали данные только тех плавок, чугун которых имел полностью шаровидный графит и ферритную металлическую основу в литом состоянии или после отжига (не более 10% перлита). Обобщенные результаты представлены на рис. 4,5,6,7.

Рис. 4. Влияние углерода на механические свойства высокопрочного чугуна.

Рис. 5. Влияние кремния на механические свойства высокопрочного чугуна.

Рис. 6. Влияние марганца на механические свойства высокопрочного чугуна.

Рис. 7. Влияние фосфора на механические свойства высокопрочного чугуна.

Как видно из данных рис.4 изменение содержания углерода от 2,4 до 3,9% не оказывает заметного влияния на все характеристики механических свойств ВЧ. Оно может выражаться лишь в том, что с понижением содержания углерода возрастает количество перлита, сохраняющегося после отжига. При этом вероятно также наличие структурного свободного цементита и графита нешаровидной формы.
С повышением содержания кремния от 2 до 3% механические свойства ВЧ также практически не изменяются (рис.5). Однако при дальнейшем повышении содержания кремния наступает заметное понижение относительного удлинения и повышение предела прочности при растяжении. Показатели ударной вязкости при этом резко падают в связи с наличием структурно свободных силицидов магния, происходит охрупчивание феррита, в особенности для чугуна ВЧ40.
Влияние марганца аналогично влиянию кремния. Резкое падение ударной вязкости и значительное снижение относительного удлинения наступает при содержании марганца более 0,6% (рис.6).
Влияние фосфора на понижение пластичности и вязкости ВЧ заметно проявляется при содержании его выше 0,08% (рис.7).
Получение чугунов марок ВЧ40, ВЧ45, ВЧ50, ВЧ60 вполне осуществимо в вагранках при правильном подборе модификаторов.
Многие сомневались в возможности получения ВЧ40 из вагранки на холодном дутье, обеспечивающей нагрев чугуна лишь до 1360-кС. Подтверждением стали сравнительные опыты получения ВЧ в индукционных и дуговых электропечах, а также в вагранке производительностью 3т/ч. Во всех плавках использовались одни и те же шихтовые материалы, поэтому полученный металл был практически одинакового химического состава. Отличие состояло лишь в том, что чугун в индукционной и дуговой электропечах нагревался до 1450-1500-кС, а в вагранке до 1360-кС. В связи с этим температура ваграночного чугуна при заливке в формы была 1280-1300-кС, а электропечного чугуна — 1340-1380-кС. Результаты механических испытаний полученного ВЧ (после отжига), приведенные в таблице 1, показывают, что чугун выплавленный в индукционной и дуговой электропечи имеет более высокие показатели относительного удлинения и ударной вязкости, что связано с повышенной температурой заливки и низким содержанием серы. Остальные характеристики механических свойств вполне удовлетворяют требованиям ГОСТа и для ваграночного чугуна.
При выплавке чугуна марок ВЧ40, ФЧ45, ВЧ50, ВЧ60 использовались обычные передельные чугуны ПЛ1 и ПЛ2, с пониженным содержанием фосфора и марганца.

Таблица 1

вфЖ п/п	Плавильный агрегат	Механические свойства
		σв , МПа	-д, %	KCU , кДж/м2	HB , ГПа
1	Индукционная печь	470	18	990	170
2	Индукционная печь	510	16	980	170
3	Индукционная печь	55	22,2	124	18
	Среднее	51	18,7	1070	175,7
4	Дуговая печь	535	18,1	1150	174
5	Дуговая печь	523	24,8	1050	174
6	Дуговая печь	544	18,4	860	174
7	Дуговая печь	531	19	950	174
	Среднее	533,3	20,7	1002,5	174
8	Вагранка	553	6,9	450	187
9	Вагранка	540	15,4	550	170
10	Вагранка	540	18,5	430	175
11	Вагранка	507	13,8	710	192
12	Вагранка	487	20,6	670	160
	Среднее	525,4	15	562	174

Опытами установлено, что при производстве отливок из ВЧ40 содержание хрома в шихте не должно быть более 0,1%; для всех других марок — содержание остаточного хрома допустимо до 0,2%.
Весь кремний, вводимый с кремнистыми модификаторами, практически полностью переходит в чугун, что следует учитывать при расчете шихты.
Для обеспечения повышенного содержания углерода в чугуне до его модифицирования, стальной лом в шихте следует применять не более 15-20%. Чугунный лом может использоваться в любом количестве, но при условии обеспечения требуемого химического состава чугуна.
При разливке металла в формы должны быть приняты меры предупреждающие образование «черных пятен», являющихся наиболее распространенным видом дефектов в отливках из ВЧ. В результате введения магниевой лигатуры значительная часть углерода (от 0,2 до 0,8%) переходит в шлак. Установлено, что «черные пятна» являются преимущественно скоплениями сульфидов магния и графита. На серных отпечатках они представляются в виде резко затемненных пятен — следов разложившихся при изготовлении шлифа сульфидов магния (рис.8 и 9).

При химическом анализе в местах «черных пятен» обнаруживается повышенное содержание углерода и серы (таблица 2).

Таблица 2

вфЖ п/п	«черное пятно»		чистый металл
	содержание, %
	C	S	C	S
1	3 ,78	0,16	2,83	0,009
2	3,68	0,188	2,48	0,01
3	4,88	0,041	3,0	0,01

В качестве мер борьбы с дефектами отливок в виде «черных пятен» можно рекомендовать различные способы: повышение температуры заливки, обработка жидкого металла флюсами (карбонат натрия, «рефлой» и т.д.).Все эти способы уменьшают, но не устраняют полностью возможность образования «черных пятен» в отливках. Кроме того, каждый из них имеет отрицательные стороны, которые могут привести к неудовлетворительным результатам в отношении формы графита и механических свойств чугуна.
Для борьбы с «черными пятнами» можно использовать заливку ковшами с сифонной подачей металла в формы. Опыт показал, что для разливки металла больше одной тонны с успехом можно применять обычные стопорные ковши.
Снятием серных отпечатков с темплетов, залитых с применением сифонных или стопорных ковшей, было установлено полное отсутствие «черных пятен».
Весьма важным фактором, определяющим качество отливок из ВЧ, является установление оптимальной температуры заливки.
Были проведены опыты по изготовлению отливок различной толщины стенок, залитых при температурах 1250, 1280 и 1370-кС. Температура заливки оказывает значительное влияние на показатели относительного удлинения. Характеристики прочности при этом не изменяются. Данные рис.10 показывают, что влияние температуры заливки с уменьшением толщины стенки отливки возрастает. Оптимальной температурой заливки ВЧ следует считать 1320-1340-кС. Применение более высокой температуры заливки нецелесообразно, потому что это приводит к понижению усвоения магния, вследствие чего механические свойства чугуна получаются менее стабильными.

Список литературы:

1. Шапранов И.А. О кристаллизации и механических свойствах высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. В сб. Новое в теории и практике литейного производства. — М-Л., Машгиз, 1956. — С. 312-319.
2. Гиршович Н.Г. Кристаллизация и свойства чугуна в отливках. — Л., Машиностроение, 1966.
3. Кривошеев А.Е., Маринченко Б.В., Фетисов Н.М. Механические свойства чугуна с шаровидным графитом в отливках // Литейное производство. 1972, вфЖ5. — С. 34-35.
4. Захарченко Э.В., Левченко Ю.Н., Горенко В.Г., Вареник П.А. Отливки из чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом. — Киев, Наукова думка, 1986.

Литейный чугун — состав и свойства

Чугун литейный — это сплав железа c углеродом и кремнием, в котором также всегда присутствуют примеси марганца, фосфора и серы. Углерод, содержащийся в чугуне, находится в виде графита пластинчатой формы. Этот чугун на изломе имеет серый цвет благодаря содержанию графита в сплаве. Поэтому литейный чугун также называется серым чугуном. Этот сплав является основным, который используется в машиностроении. Серый чугун также называют литейным из-за его отличных литейных свойств. Литейный чугун имеет хорошую текучесть, поэтому он отлично заполняет литейные формы.

Стандарты

Литейный чугун производится в Украине согласно ДСТУ 3132-95 «Чавун ливарний. Технiчнi умови» и ГОСТ 4832-95 «Чугун литейный. Технические условия».

Литейный чугун — классификация

Литейный чугун подразделяется на 2 вида в зависимости от назначения:

Марки литейного чугуна Л1, Л2, Л3, Л4, Л5, Л6 — для изготовления отливок из серого чугуна

Марки литейного чугуна рафинированного магнием ЛР1, ЛР2, ЛР3, ЛР4, ЛР5, ЛР6, ЛР7 — для изготовления отливок из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, чугуна с вермикулярным графитом, ковкого чугуна.

Химический состав литейного чугуна

Качество отливок зависит от химического состава литейного чугуна. Содержание углерода в виде в виде графита и карбида оказывает большое влияние на характеристики чугуна. Большое количество графита делает чугун мягким, при содержании более 2,5% понижается прочность и вязкость металла. Такой сплав не будет предназначен для литья.

Кремний вытесняет углерод из соединения с железом, образуя при этом графит. Высокое содержание кремния препятствует насыщению углерода. Марганец, который входит в состав литейного чугуна также влияет на характеристика сплава. Он повышает твердость, но в тоже время делает сплав хрупким, поэтому является вредной примесью. Тем не менее марганец защищает железо и другие составляющие от окисления.

Фосфор, содержащийся в составе литейного чугуна, также имеет влияние на физико-механические свойства металла. Фосфор придает чугуну особую твердость, уменьшая при этом упругость и излишнюю вязкость. Чтобы чугун имел достаточную прочность, содержание фосфора должно быть не более 0,3%.

Сера препятствует насыщению углерода, а также замедляет выделение графита. Содержание серы в составе литейного чугуна делает металл менее плавким. Если присутствует высокое содержание серы, металл становится густым и соответственно плохо заполняет форму. Поэтому сплавы с высоким содержанием серы не применяют для литья тонкостенных отливок.

Химический состав литейного чугуна должен удовлетворять требованиям ДСТУ 3132-95 и ГОСТ 4832-95, приведенным в табл. 1 и табл. 2.

Таблица 1: Марки и химический состав литейного чугуна по ДСТУ 3132-95 и ГОСТ 4832-95

Марка	Массовая доля элементов, %
	Si	Mn, не более
		Группы
		I	II	III	IV
Л1	св. 3,2 до 3,6 вкл.	до 0,3 вкл.	св. 0,3 до 0,9 вкл.	св. 0,5 до 0,9 вкл.	св. 0,9 до 1,2 вкл.
Л2	св. 2,8 до 3,2 вкл.	до 0,3 вкл.	св. 0,3 до 0,9 вкл.	св. 0,5 до 0,9 вкл.	св. 0,9 до 1,2 вкл.
Л3	св. 2,4 до 2,8 вкл.	до 0,3 вкл.	св. 0,3 до 0,9 вкл.	св. 0,5 до 0,9 вкл.	св. 0,9 до 1,2 вкл.
Л4	св. 2,0 до 2,4 вкл.	до 0,3 вкл.	св. 0,3 до 0,9 вкл.	св. 0,5 до 0,9 вкл.	св. 0,9 до 1,2 вкл.
Л5	св. 1,6 до 2,0 вкл.	до 0,3 вкл.	св. 0,3 до 0,9 вкл.	св. 0,5 до 0,9 вкл.	св. 0,9 до 1,2 вкл.
Л6	св. 1,2 до 1,6 вкл.	до 0,3 вкл.	св. 0,3 до 0,9 вкл.	св. 0,5 до 0,9 вкл.	св. 0,9 до 1,2 вкл.

Таблица 1: продолжение

Марка	Массовая доля элементов, %
	Серы, не более				Фосфора, не более
	Категории				Классы
	I	II	III	IV	А	Б	В	Г	Д
Л1	0,02	0,03	0,04	—	0,08	0,12	0,3	св. 0,3 до 0,7 вкл.	св. 0,7 до 1,2 вкл.
Л2	0,02	0,03	0,04	—	0,08	0,12	0,3	св. 0,3 до 0,7 вкл.	св. 0,7 до 1,2 вкл.
Л3	0,02	0,03	0,04	—	0,08	0,12	0,3	св. 0,3 до 0,7 вкл.	св. 0,7 до 1,2 вкл.
Л4	0,02	0,03	0,04	0,05	0,08	0,12	0,3	св. 0,3 до 0,7 вкл.	св. 0,7 до 1,2 вкл.
Л5	0,02	0,03	0,04	0,05	0,08	0,12	0,3	св. 0,3 до 0,7 вкл.	св. 0,7 до 1,2 вкл.
Л6	0,02	0,03	0,04	0,05	0,08	0,12	0,3	св. 0,3 до 0,7 вкл.	св. 0,7 до 1,2 вкл.

 

Таблица 2: Химический состав литейного чугуна рафинированного магнием по ДСТУ 3132-95 и ГОСТ 4832-95

Марка	Массовая доля элементов, %
	Si	Mn			P, не более		S, не более
		Группы			Класса		Категории
		I	II	III	А	Б	1	2
ЛР1	св. 3,2 до 3,6 вкл.	до 0,3 вкл.	св. 0,3 до 0,5 вкл.	св. 0,5 до 1,0 вкл.	0,08	0,12	0,005	0,01
ЛР2	св. 2,8 до 3,2 вкл.	до 0,3 вкл.	св. 0,3 до 0,5 вкл.	св. 0,5 до 1,0 вкл.	0,08	0,12	0,005	0,01
ЛР3	св. 2,4 до 2,8 вкл.	до 0,3 вкл.	св. 0,3 до 0,5 вкл.	св. 0,5 до 1,0 вкл.	0,08	0,12	0,005	0,01
ЛР4	св. 2,0 до 2,4 вкл.	до 0,3 вкл.	св. 0,3 до 0,5 вкл.	св. 0,5 до 1,0 вкл.	0,08	0,12	0,005	0,01
ЛР5	св. 1,6 до 2,0 вкл.	до 0,3 вкл.	св. 0,3 до 0,5 вкл.	св. 0,5 до 1,0 вкл.	0,08	0,12	0,005	0,01
ЛР6	св. 1,2 до 1,6 вкл.	до 0,3 вкл.	св. 0,3 до 0,5 вкл.	св. 0,5 до 1,0 вкл.	0,08	0,12	0,005	0,01
ЛР7	св. 0,8 до 1,2 вкл.	до 0,3 вкл.	св. 0,3 до 0,5 вкл.	св. 0,5 до 1,0 вкл.	0,08	0,12	0,005	0,01

Литейный и литейный рафинированный магнием чугун всех марок должен поставляться с указанием массовой доли углерода.

Литейный и литейный рафинированный магнием чугун производят в чушках без пережимов или с одним или двумя пережимами. Толщина чушки в месте пережима не должна превышать 30 мм. Масса чушки без пережима не должна превышать 18 кг, с одним пережимом — 30 кг, с двумя пережимами — 45 кг.

Количество боя чушек не должно превышать 2% от массы партии. К бою относятся куски массой не более 2 кг.

На поверхности чушек не должно быть остатков шлака. Допускается налет извести, графита и других компонентов смесидля опрыскивания мульд, не влияющих на качество чугуна.

Количество чушек с наличием на поверхности графитовой спели и раковин в литейном чугуне должно быть не более 10% массы партии. На поверхности чушек литейного рафинированного магнием чугуна не допускается наличие графитовой спели.

Показатели, устанавливаемые по требованию потребителя

Литейный и литейный рафинированный магнием чугун всех марок изготавливают с нормированной массовой долей углерода от 3,4 до 4,5% включительно.

Литейный чугун марки Л1 и литейный рафинированный магнием чугун марки ЛР1 допускается изготавливать с массовой долей кремния более 3,6%.

В литейном чугуне марок Л1-Л6, выплавляемом из медесодержащих руд, дополнительно определяется массовая доля меди и указывается в документе о качестве.

Литейный чугун изготавливают с массовой долей хрома не более 0,05% для производства отливок из чугуна с шаровидным графитом, с массовой долей хрома не более 0,04% — для отливок из ковкого чугуна, с массовой долей хрома не более 0,1% — для отливок из серого чугуна.

Литейный чугун марок Л2, Л3, Л4 для производства поршневых колец изготавливают с массовой долей марганца от 0,6 до 0,8% и фосфора от 0,4 до 0,6%.

Литейный рафинированный магнием чугун изготавливают с нормированной долей микропримесей, приведенной в табл. 3.

Таблица 3: Допустимое содержание примесей в литейном рафинированном магнием чугуне с нормированой долей примесей по ДСТУ 3132-95 и ГОСТ 4832-95

Марка	Массовая доля примесей, %, не более
	Ti	V	Cr	Pb	Al остаточного	Mg
ЛР1	0,06	0,05	0,04	0,005	0,005	0,019
ЛР2	0,06	0,05	0,04	0,005	0,005	0,019
ЛР3	0,06	0,05	0,04	0,005	0,005	0,019
ЛР4	0,06	0,05	0,04	0,005	0,005	0,019
ЛР5	0,06	0,05	0,04	0,005	0,005	0,019
ЛР6	0,06	0,05	0,04	0,005	0,005	0,019
ЛР7	0,06	0,05	0,04	0,005	0,005	0,019

Допускается изготавливать чушки массой не более 55 кг.

Литейный чугун марок Л1-Л6 изготавливают с массовой долей серы не более 0,06%.

Классификация чушкового чугуна по ИСО 9147-87

В соответствии с международным стандартом ИСО 9147-87 «Чушковой чугун. Определение и классификация» чугун в чушках, на основании его химического состава, подразделяется классы приведенные в табл. 4.

Таблица 4: Классификация чугуна в чушках в соответствии с его химическим составом

Номер	Класс чугуна, обозначение			Аббревиатура	С общ., %	Si, %	Mn, %	P, %	S max, %	Др.
2.1	Н е л е г и р о в а н н ы й	Л и т е й н ы й	3)	Pig-P1Si	(3,3 до 4,5)	1,0 до 4,0 1)	0,4 до 1,51)	≤0,12	0,06	2)
2.2				Pig-P3Si				>0,12 до 0,5
2.3				Pig-P6Si		(1,5 до 3,5)		>0,5 до 1,0 (>0,5 до 0,7)
2.4				Pig-P12Si				>1,0 до 1,4
2.5				Pig-P17Si				>1,4 до 2,0
3.1			Шаровидная графитная основа 4)	Pig-Nod	(3,5 до 4,6)	≤3,01)	≤0,1	≤0,08	0,03	2), 5)
3.2			Шаровидная графитная основа с более высоким содержанием Mn	Pig-NodMn		≤4,01)	>0,1 до 0,41)
3.3			С низким содержанием C	Pig-LC	>2,0 до 3,5	≤3,01)	0,4 до 1,5	≤0,30	0,06	2)

¹⁾ При разделении этого класса на подклассы класс чугуна обычно разделяется на сорта.

²⁾ Минимальное значение для других элементов не указывается. В зависимости, например, от используемого сырья чугун может содержать элементы, отличные от указанных в таблице; это относится и к процентному содержанию, которое для некоторых элементов может достигать значения 0,5%. Содержание этих элементов не учитывается при определении класса чугуна.

³⁾ Для этих классов литейного чугуна различные термины, такие как низкое, среднее, промежуточное и высокое содержание фосфора, нормальный гематит и полугематит и т.д. используются в различных значениях. Следовательно, на международном уровне рекомендуется отказаться от таких терминов и применять в таких случаях для обозначения только аббревиатуру.

⁴⁾ Обычно используется либо для перлитного чугуна с шаровидным графитом, либо для ковкого чугуна.

⁵⁾ Характеристикой этих классов чугуна является то, что содержание элементов, мешающих формированию шаровидного графита и активирующих формирование карбида, достаточно низкое.

Примечание: Значения, указанные без скобок, являются основными при классификации чугуна. В скобках приведены значения, которыми ограничивается реальное содержание соответствующего элемента.

отличие от стали, температура плавления чугуна и стали

Чугун — это сплав железа с углеродом. По процентному содержанию железа содержится более 90%. Количество углерода колеблется в пределах 2,14- 6,67%. Благодаря этому элементу материал имеет высокую твердость, но появляется хрупкость. Это влечет ухудшение ковкости и пластичности. В некоторые виды для улучшения характеристики добавляются легирующие элементы: алюминий, хром, ванадий, никель.

Характеристика видов углеродистого металла

Диаграмма железо-углерод показывает, из чего состоит чугун. Кроме железа, присутствует углерод в виде графита и цементита.

Состав сплава чугуна имеет разновидности:

• Белый. Присутствующий здесь углерод находится в химически связанном состоянии. Металл прочный, но хрупкий, поэтому плохо поддается механической обработке. В промышленности используется в виде отливок. Свойство материала позволяют вести его обработку абразивным кругом. Сложность вызывает процесс сварки, поскольку есть вероятность появления трещин из-за неоднородности структуры. Применение нашел в областях, связанных с сухим трением. Обладает повышенной жаростойкостью и износостойкостью.
• Половинчатый. Обладает повышенной хрупкостью, поэтому не нашел широкого применения.
• Серый. ГОСТ 1412–85 указывает, какой процент примесей содержит в своем составе этот металл: 3,5% углерода, 0,8% марганца, 0,3% фосфора, 0,12% серы и до 2,5% кремния. Присутствующий в пластинчатой форме углерод создает низкую ударную вязкость. Характеристика вида указывает, что на сжатие материал работает лучше, чем на растяжение. При достаточном нагреве обладает неплохой свариваемостью.
• Ковкий. Ферритовая основа такого вида обеспечивает ему высокую пластичность. В изломе имеет черный, бархатистый цвет. Получается из белого, который томится длительное время при температуре 800−950 градусов.
• Высокопрочный. Отличие от других видов заключается в присутствии графита шаровидной формы. Получается из серого после добавления в него магния.

Индивидуальные свойства металла

Материал характеризуется определенными характеристиками. К ним относятся:

• Физические. Такие величины, как удельный вес или коэффициент расширения зависят от того, сколько составляет в металле содержание углерода. Материал тяжелый, поэтому из него можно делать чугунные ванны.
• Тепловые. Теплопроводность позволяет аккумулировать тепло и удерживать, распространяя его равномерно во все стороны. Это используется при изготовлении сковородок или батарей для отопления.
• Механические. Эти характеристики меняются в зависимости от графитовой основы. Наиболее прочный — серый чугун, имеющий перлитовую основу. Материал с ферритовой составляющей более ковкий.

В зависимости от наличия примесей появляется разница в свойствах материала.

К таким элементам относятся сера, фосфор, кремний, марганец:

• Сера уменьшает текучесть металла.
• Фосфор понижает прочность, но позволяет изготавливать изделия сложной формы.
• Кремний увеличивает текучесть материала, снижая его температуру плавления.
• Марганец дает прочность, но понижает текучесть.

Различия между чугуном и сталью

Чтобы понять, чем отличается сталь от чугуна, нужно рассмотреть их характеристики. Отличительной особенностью чугуна является количество углерода. Минимальное содержание его составляет 2,14%. Это основной показатель, по которому можно отличить этот материал от стали.

Содержание железа в стали составляет 45%, а процентное содержание углерода до 2. Для определения различий на глаз нужно обратить внимание на цвет. Сталь имеет светлый оттенок, а чугун темный.

Определить же процентное содержание примесей может только химический анализ. Если сравнивать температуру плавления чугуна и стали, то у чугуна она ниже и составляет 1150−1250 градусов. У стали — в районе 1500.

Чтобы отличить материал, нужно провести следующие действия:

• Изделие опускается в воду и определяется объем вытесненной воды. У чугуна плотность меньше. Она составляет 7,2г/см3. У стали — 7,7−7,9 г / см3 .
• К поверхности прикладывается магнит, который к стали притягивается лучше.
• При помощи шлифовальной машинки или напильника натирается стружка. Затем она собирается в бумагу и вытирается об нее. Сталь не оставит следов.

Плюсы и минусы материала

Как и любой материал, чугун имеет положительные и отрицательнее стороны. К положительным качествам относятся:

• большая разновидность состояний.
• некоторые виды обладают высокой прочностью;
• возможность длительное время сохранять температуру;
• экологическая чистота, что позволяет изготавливать из него посуду;
• стойкость к кислотно-щелочной среде;
• высокая гигиеничность;
• длительный срок эксплуатации и долговечность;
• безвредность материала.

Однако и минусы тоже присутствуют. К ним относятся:

• при длительном нахождении в воде поверхность покрывается ржавчиной;
• высокая стоимость материала;
• низкая пластичность серого вида чугуна;
• хрупкость.

Чугун — это металл, который характеризуется высоким содержанием углерода. Благодаря этому у него присутствуют качества, которые бывают необходимы для промышленных и бытовых целей.

Чугун

О посуде см. Чугунная посуда.

Железо-цементит метастабильная диаграмма.

Чугун получают из чушкового чугуна, и хотя он обычно относится к серому чугуну, он также определяет большую группу сплавов на основе железа, которые затвердевают с эвтектикой. Цвет изломанной поверхности можно использовать для идентификации сплава. Белый чугун назван в честь его белой поверхности в момент разрушения из-за примесей карбида, которые позволяют трещинам проходить сквозь них. Серый чугун назван в честь его серой изломанной поверхности, которая возникает из-за того, что чешуйки графита отклоняют проходящую трещину и инициируют бесчисленные новые трещины по мере разрушения материала.

Углерод (C) и кремний (Si) являются основными легирующими элементами в количестве от 2,1 до 4 мас.% И от 1 до 3 мас.% Соответственно. Сплавы железа с меньшим содержанием углерода известны как сталь. Хотя это технически делает эти базовые сплавы тройными сплавами Fe-C-Si, принцип затвердевания чугуна понятен из бинарной фазовой диаграммы железо-углерод.Поскольку состав большинства чугунов находится в районе эвтектической точки системы железо-углерод, температуры плавления тесно коррелируют, обычно в диапазоне от 1150 до 1200 ° C (от 2102 до 2192 ° F), что составляет около 300 ° C (572 ° F). F) ниже точки плавления чистого железа.

Чугун имеет тенденцию к хрупкости, за исключением ковкого чугуна. Обладая относительно низкой температурой плавления, хорошей текучестью, литейными качествами, отличной обрабатываемостью, устойчивостью к деформации и износостойкостью, чугуны стали конструкционным материалом с широким спектром применения и используются в трубах, машинах и деталях автомобильной промышленности, таких как цилиндры. головки (снижение использования), блоки цилиндров и коробки передач (снижение использования).Он устойчив к разрушению и ослаблению в результате окисления (ржавчины).

Производство

Чугун получают путем переплавки передельного чугуна, часто вместе с значительным количеством лома чугуна и стального лома, и принятия различных мер по удалению нежелательных загрязняющих веществ. Фосфор и сера могут выгореть из расплавленного железа, но при этом также выгорает углерод, который необходимо заменить. В зависимости от области применения содержание углерода и кремния регулируется до желаемых уровней, которые могут составлять от 2 до 3.5% и от 1 до 3% соответственно. Затем в расплав добавляются другие элементы, прежде чем окончательная форма будет получена путем литья. ^{[ требуется ссылка ]}

Железо иногда плавят в доменных печах особого типа, известных как вагранки, но чаще плавят в электрических индукционных печах. ^{[ цитата необходима ]} После завершения плавки расплавленный чугун выливается в раздаточную печь или ковш.

Типы

Чугунный дренажный, сливной и вентиляционный трубопровод

Легирующие элементы

Свойства чугуна изменяются за счет добавления различных легирующих элементов или легирующих добавок.После углерода кремний является наиболее важным легирующим агентом, поскольку он вытесняет углерод из раствора. Вместо этого углерод образует графит, в результате чего чугун становится мягче, уменьшается усадка, прочность и плотность. Сера при добавлении образует сульфид железа, который предотвращает образование графита и увеличивает твердость. Проблема с серой заключается в том, что она делает расплавленный чугун вялым, что вызывает краткосрочные дефекты. Чтобы противостоять воздействию серы, добавляют марганец, потому что они превращаются в сульфид марганца, а не в сульфид железа.Сульфид марганца легче расплава, поэтому он имеет тенденцию всплывать из расплава в шлак. Количество марганца, необходимое для нейтрализации серы, составляет 1,7 × содержание серы + 0,3%. Если добавить больше этого количества марганца, то образуется карбид марганца, который увеличивает твердость и охлаждение, за исключением серого чугуна, где до 1% марганца увеличивает прочность и плотность. ^[1]

Никель является одним из наиболее распространенных легирующих добавок, поскольку он улучшает структуру перлита и графита, улучшает ударную вязкость и выравнивает разницу в твердости между толщиной сечения.Хром добавляется в ковш в небольших количествах для уменьшения содержания свободного графита, получения холода и потому, что он является мощным стабилизатором карбида; никель часто добавляют вместе. Можно добавить небольшое количество олова вместо 0,5% хрома. Медь добавляется в ковш или в печь в количестве от 0,5 до 2,5% для уменьшения холода, очистки графита и увеличения текучести. Молибден добавляется в количестве от 0,3 до 1% для увеличения охлаждения и улучшения структуры графита и перлита; его часто добавляют в сочетании с никелем, медью и хромом для образования высокопрочных чугунов.Титан добавляют в качестве дегазатора и раскислителя, но он также увеличивает текучесть. От 0,15 до 0,5% ванадия добавляют в чугун для стабилизации цементита, увеличения твердости и повышения устойчивости к износу и нагреванию. Цирконий от 0,1 до 0,3% способствует образованию графита, раскислению и увеличению текучести. ^[1]

В расплавы ковкого чугуна добавляется висмут в диапазоне от 0,002 до 0,01%, чтобы увеличить количество кремния, которое можно добавить. В белое железо бор добавляется для облегчения производства ковкого чугуна; он также снижает эффект огрубления висмута. ^[1]

Серый чугун

Основная статья: Серый чугун

Серый чугун характеризуется своей графитовой микроструктурой, из-за которой изломы материала приобретают серый цвет. Это наиболее часто используемый чугун и наиболее широко используемый литой материал в зависимости от веса. Большинство чугунов имеют химический состав от 2,5 до 4,0% углерода, от 1 до 3% кремния, а остальное — железо. Серый чугун имеет меньшую прочность на растяжение и ударопрочность, чем сталь, но его прочность на сжатие сопоставима с низко- и среднеуглеродистой сталью.

Белый чугун

Это железо, поверхность трещин которого белая из-за присутствия цементита. При более низком содержании кремния и более быстром охлаждении углерод в белом чугуне выделяется из расплава в виде цементита метастабильной фазы Fe ₃ C, а не графита. Цементит, выделяющийся из расплава, образует относительно большие частицы, обычно в эвтектической смеси, где другой фазой является аустенит (который при охлаждении может превратиться в мартенсит).Эти эвтектические карбиды слишком велики, чтобы обеспечить дисперсионное твердение (как в некоторых сталях, где выделения цементита могут препятствовать пластической деформации, препятствуя движению дислокаций через ферритную матрицу). Скорее, они увеличивают объемную твердость чугуна просто за счет своей очень высокой твердости и значительной объемной доли, так что объемная твердость может быть аппроксимирована правилом смесей. В любом случае они предлагают твердость за счет прочности.Поскольку карбид составляет значительную долю материала, белый чугун с полным основанием можно отнести к кермету. Белый чугун слишком хрупкий для использования во многих конструктивных элементах, но, обладая хорошей твердостью и устойчивостью к истиранию, а также относительно невысокой стоимостью, он находит применение в таких областях, как износостойкие поверхности (рабочее колесо и спиральная камера) шламовых насосов, гильзы корпуса и подъемные стержни в шаре. мельницы и мельницы автогенного помола, шары и кольца в измельчителях угля, а также зубья ковша экскаватора (хотя для этого применения более распространена литая среднеуглеродистая мартенситная сталь).

Трудно достаточно быстро охладить толстые отливки, чтобы расплав полностью застыл в виде белого чугуна. Однако быстрое охлаждение может использоваться для затвердевания оболочки из белого чугуна, после чего остальная часть остывает медленнее, образуя сердцевину из серого чугуна. Полученная отливка, называемая охлажденной отливкой , имеет преимущества твердой поверхности и несколько более жесткой внутренней части.

Высокохромистые сплавы белого чугуна позволяют отливать массивные отливки (например, 10-тонное рабочее колесо) в песчаные формы, т.е.е. не требуется высокая скорость охлаждения, а также обеспечивается впечатляющая стойкость к истиранию. ^{[ требуется ссылка ]}

Ковкий чугун

Основная статья: Ковкое железо

Ковкий чугун сначала представляет собой отливку из белого чугуна, которую затем подвергают термообработке при температуре около 900 ° C (1650 ° F). В этом случае графит отделяется гораздо медленнее, так что поверхностное натяжение успевает превратить его в сфероидальные частицы, а не хлопья. Из-за их более низкого соотношения сторон сфероиды относительно короткие и далеко друг от друга, и имеют меньшее поперечное сечение по сравнению с распространяющейся трещиной или фононом.У них также есть тупые границы, в отличие от чешуек, что снижает проблемы концентрации напряжений, с которыми сталкивается серый чугун. В целом ковкий чугун по своим свойствам больше похож на низкоуглеродистую сталь. Существует предел того, насколько большая деталь может быть отлита из ковкого чугуна, поскольку она сделана из белого чугуна.

Ковкий чугун

Основная статья: Ковкий чугун

Более поздняя разработка — чугун с шаровидным графитом или ковкий чугун . Крошечные количества магния или церия, добавленные к этим сплавам, замедляют рост выделений графита за счет связывания с краями графитовых плоскостей.Наряду с тщательным контролем других элементов и времени, это позволяет углю отделяться в виде сфероидальных частиц по мере затвердевания материала. Свойства аналогичны ковкому чугуну, но можно отливать детали с большим сечением.

Таблица сравнительных качеств чугунов

Сравнительные качества чугунов ^[2]

Имя	Номинальный состав [% по массе]	Форма и состояние	Предел текучести [тыс. Фунтов / кв. Дюйм (0.2% смещение)]	Предел прочности на разрыв [тыс. Фунтов / кв. Дюйм]	Относительное удлинение [% (в 2 дюймах)]	Твердость [шкала Бринелля]	Использует
Серый чугун (ASTM A48)	C 3,4, Si 1,8, Mn 0,5	Литой	–	50	0,5	260	Блоки цилиндров двигателя, маховики, шестерни, основания станков
Белый чугун	C 3,4, Si 0,7, Mn 0,6	Литой (литой)	–	25	0	450	Опорные поверхности
Ковкий чугун (ASTM A47)	С 2.5, Si 1.0, Mn 0.55	Литой (отожженный)	33	52	12	130	Осевые подшипники, опорные колеса, автомобильные коленчатые валы
Ковкий чугун или чугун с шаровидным графитом	C 3,4, P 0,1, Mn 0,4, Ni 1,0, Mg 0,06	Литой	53	70	18	170	Шестерни, распредвалы, коленчатые валы
Ковкий чугун или чугун с шаровидным графитом (ASTM A339)	–	литье (закалка)	108	135	5	310	–
Никель-твердый тип 2	С 2.7, Si 0,6, Mn 0,5, Ni 4,5, Cr 2,0	Цельнолитой	–	55	–	550	Высокопрочные приложения
Ni-резист типа 2	C 3,0, Si 2,0, Mn 1,0, Ni 20,0, Cr 2,5	Литой	–	27	2	140	Устойчивость к нагреву и коррозии

Историческое использование

Поскольку чугун сравнительно хрупкий, он не подходит для целей, где требуется острый край или гибкость.Он прочен при сжатии, но не при растяжении. Чугун был впервые изобретен в Китае в 4 веке до нашей эры (см. Также: Ду Ши) и разливался в формы для изготовления лемехов и горшков, а также оружия и пагод. ^[3] На западе, где он не стал доступным до конца 14 века, его самые ранние применения включали пушку и дробь. Генрих VIII инициировал отливку пушек в Англии. Вскоре английские металлурги, использующие доменные печи, разработали технику производства чугунных пушек, которые, будучи тяжелее обычных бронзовых пушек, были намного дешевле и позволяли Англии лучше вооружать свой флот.Мастера чугуна Weald продолжали производить чугун до 1760-х годов, и вооружение было одним из основных применений чугуна после Реставрации.

Чугунные котлы изготавливались на многих английских доменных печах того времени. В 1707 году Авраам Дарби запатентовал метод изготовления кастрюль (и чайников) тоньше и, следовательно, дешевле, чем могли бы его конкуренты. Это означало, что его печи Coalbrookdale стали доминирующими поставщиками котлов, и в 1720-х и 1730-х годах к ним присоединилось небольшое количество других доменных печей, работающих на коксе.

Развитие паровой машины Томасом Ньюкоменом обеспечило дальнейший рынок чугуна, поскольку чугун был значительно дешевле латуни, из которой первоначально были сделаны цилиндры двигателя. Джон Уилкинсон был великим сторонником чугуна, который, среди прочего, отливал цилиндры для многих улучшенных паровых двигателей Джеймса Ватта до основания литейного завода в Сохо в 1795 году.

Мосты чугунные

Использование чугуна в конструкционных целях началось в конце 1770-х годов, когда Авраам Дарби III построил Железный мост, хотя короткие балки уже использовались, например, в доменных печах в Коулбрукдейле.Затем последовали и другие изобретения, в том числе одно запатентованное Томасом Пейном. Чугунные мосты стали обычным явлением, когда промышленная революция набирала обороты. Томас Телфорд использовал материал для своего моста вверх по течению в Билдвас, а затем для акведука через канал в Лонгдон-он-Терн на канале Шрусбери.

За ним последовали Акведук Чирк и Акведук Понцисилт, оба из которых продолжают использоваться после недавних реставраций. Мосты с чугунными балками широко использовались ранними железными дорогами, такими как мост Уотер-стрит на Манчестерской конечной станции Ливерпульской и Манчестерской железных дорог.Проблемы возникли, когда в мае 1847 года, менее чем через год после открытия, обрушился новый мост, через который проходила железная дорога Честера и Холихеда через реку Ди в Честере. Катастрофа моста Ди была вызвана чрезмерной нагрузкой в ​​центре балки проезжающим поездом, и многие подобные мосты пришлось сносить и восстанавливать, часто из кованого железа. Мост был спроектирован ошибочно: он был связан ремнями из кованого железа, которые, как ошибочно считали, укрепляли конструкцию. Центры балок были изогнуты, нижняя кромка находится в напряжении, где чугун, как и кладка, очень непрочен.

Лучше всего использовать чугун для строительства моста, используя арки, чтобы весь материал находился в сжатом состоянии. Чугун, как и кладка, очень прочен на сжатие. Кованое железо, как и большинство других видов железа, а также большинство металлов в целом, обладает прочностью на растяжение, а также прочностью и устойчивостью к разрушению. Отношения между кованым и чугунным железом для структурных целей можно рассматривать как аналог отношений между деревом и камнем.

Тем не менее, чугун продолжал использоваться в несоответствующих конструктивных целях, пока катастрофа на железнодорожном мосту Тэй в 1879 году не поставила под сомнение использование этого материала.Важнейшие проушины для крепления анкерных стержней и распорок на мосту Тай были отлиты за одно целое с колоннами, и они вышли из строя на ранних стадиях аварии. Кроме того, отверстия для болтов также были отлиты, а не просверлены, так что все напряжение от стяжных стержней было перенесено на угол, а не распределялось по длине отверстия. Новый мост был построен из кованого железа и стали.

Однако произошли и другие обрушения моста, кульминацией которых стало железнодорожное происшествие на Норвудском перекрестке в 1891 году.Тысячи чугунных железнодорожных мостов в конечном итоге были заменены стальными аналогами.

Здания

Основная статья: Чугунная архитектура

Колонны из чугуна позволяли архитекторам строить высокие здания без чрезвычайно толстых стен, необходимых для строительства каменных зданий любой высоты. Такая гибкость позволяла высоким зданиям иметь большие окна. В городских центрах, таких как Исторический район Сохо-Чугун в Нью-Йорке, производственные здания и первые универмаги были построены с чугунными колоннами, чтобы пропускать дневной свет.Тонкие чугунные колонны также могут выдерживать вес, для которого в противном случае потребовались бы толстые каменные колонны или опоры, открывая производственные площади на заводах и обзорные линии в церквях и аудиториях. Историческое здание Iron Building в Watervliet, Нью-Йорк, представляет собой чугунное здание.

Текстильные фабрики

Другое важное применение было на текстильных фабриках. Воздух фабрик содержал легковоспламеняющиеся волокна пряденного хлопка, конопли или шерсти. В результате текстильные фабрики имели угрожающую тенденцию сгорать.Решением было построить их полностью из негорючих материалов, и было сочтено удобным снабдить здание железным каркасом, в основном из чугуна, взамен легковоспламеняющейся древесины. Первое такое здание было в Дитерингтоне в Шрусбери, Шропшир. Многие другие склады были построены с использованием чугунных колонн и балок, хотя неправильная конструкция, дефектные балки или перегрузка иногда приводили к обрушениям зданий и разрушению конструкций.

Во время промышленной революции чугун также широко использовался для изготовления каркасов и других неподвижных частей машин, включая прядильные, а затем и ткацкие станки на текстильных фабриках. Роберт Темпл (1985). Гений Китая . С. 42–4.

Дополнительная литература

• Джон Глоаг и Дерек Бриджуотер, История чугуна в архитектуре , Аллен и Анвин, Лондон (1948)
• Питер Р. Льюис, Красивый железнодорожный мост Серебристого Тея: повторное исследование катастрофы на мосту Тей 1879 года , Tempus (2004) ISBN 07524 3160 9
• Питер Р. Льюис, Бедствие на Ди: Немезида Роберта Стивенсона 1847 года , Темпус (2007) ISBN 0-7524-4266-2
• Джордж Лэрд, Ричард Гундлах и Клаус Рериг, Справочник по износостойкому чугуну , ASM International (2000) ISBN 0-87433-224-9

Внешние ссылки

.

Термическая обработка высокохромистого белого чугуна Ti-сплава

Исследовано влияние термической обработки на микроструктуру и механические свойства высокохромистого белого чугуна, легированного титаном. Были проведены температуры аустенизации 980 ° C и 1150 ° C в течение 1 часа каждая с последующим отпуском при 260 ° C в течение 2 часов, и сообщается о влиянии этих обработок на сочетание износостойкости / ударной вязкости. Микроструктура чугунов, аустенитизированных при 1150 ° C, показала мелкий осадок вторичных карбидов (M ₆ C ₂₃ ) в матрице из эвтектического аустенита и эвтектических карбидов (M ₇ C ₃ ).При 980 ° C структура состояла из сфероидальной мартенситной матрицы, небольшого количества мелких вторичных карбидов и эвтектических карбидов. Частицы карбидов титана (TiC) кубической морфологии были равномерно распределены в обеих матрицах. Утюги, аустенитизированные при 980 ° C, показали относительно более высокую прочность на разрыв по сравнению с аустенитизированными при 1150 ° C, в то время как последние показали более высокую ударную вязкость. Для обоих случаев оптимальная прочность на разрыв была получена для чугунов, легированных 1,31% Ti, тогда как максимальная ударная вязкость была получена для чугунов без добавления Ti.Более высокая износостойкость была получена для образцов, аустенитизированных при 980 ° C, по сравнению с чугунами, обработанными при 1150 ° C. Для обеих обработок оптимальная износостойкость была получена с 1,3% Ti.

1. Введение

Чугун с высоким содержанием хрома — один из износостойких материалов, используемых в различных областях, где устойчивость в агрессивных средах является основным требованием. Эти применения включают в себя шламовые насосы, пресс-формы для кирпича, несколько единиц горного бурового оборудования, оборудование для обработки горных пород и подобные области [1, 2].Его конкурентное положение на рынке основано на низких затратах на производство и стабильности свойств при высоких температурах по сравнению с другими износостойкими материалами [3]. В литом состоянии микроструктура белого чугуна с высоким содержанием хрома и молибдена состоит в основном из дендритов аустенита в матрице эвтектической смеси аустенита и карбидов (Fe, Cr) ₇ C ₃ [4, 5]. Для многих применений отливки перед эксплуатацией подвергаются термообработке для повышения износостойкости, а также ударной вязкости.Обычно используются закалка и отпуск. Уменьшение содержания углерода и хрома в аустените приводит к существенному превращению аустенита в мартенсит при охлаждении до комнатной температуры [6, 7]. Обычно считается, что эвтектические карбиды не подвержены дестабилизирующей термообработке [8, 9].

Как показано на рисунке 1, существует оптимальная температура аустенизации для достижения максимальной твердости, которая отличается для каждого состава. Температура аустенизации определяет количество углерода, которое остается в растворе в аустенитной матрице.Слишком высокая температура аустенизации увеличивает стабильность аустенита, что, в свою очередь, увеличивает остаточный аустенит в структуре и, следовательно, снижает твердость. Низкая температура аустенизации приводит к образованию мартенсита с низким C, что, в свою очередь, снижает как твердость, так и сопротивление истиранию. Следовательно, успешная термообработка вызывает дестабилизацию аустенита за счет выделения вторичных карбидов в аустенитной матрице. Также рекомендуется отпуск отливок перед их вводом в эксплуатацию для восстановления некоторой вязкости мартенситной матрицы и дальнейшего снятия остаточных напряжений [10].

Еще одна возможная стратегия улучшения износостойкости и ударной вязкости белого чугуна — это добавление карбидообразующих элементов, таких как ванадий, вольфрам, ниобий и титан [11]. В этом исследовании добавляется титан, где титан является сильным формирующим элементом, поскольку TiC имеет высокую температуру образования и будет первой фазой, выпадающей в осадок во время затвердевания. Таким образом, данная статья направлена ​​на изучение влияния добавок Ti и условий термообработки на микроструктуру, а также сопротивление истиранию и ударную вязкость.

2. Экспериментальная работа

Химический состав исследованного белого железа с высоким содержанием Cr-Mo представлен в таблице 1. Содержание серы и фосфора было ниже 0,05%. Сплавы плавили в индукционной печи средней частоты. Титан добавляли в виде Fe-Ti (20% Ti), чтобы получить содержание Ti в сплавах 0,471, 0,93, 1,31 и 1,78 мас.%. Жидкий металл заливали при 1520 ° C в химически связанные песчаные формы в виде образцов для растяжения и удара.

C Si Mn Cr Mo Ni 2.48 / 2,55 1,33 / 1,52 1,05 / 1,13 15,45 / 16,23 1,25 / 1,36 2,21 / 2,30

Использовались два разных цикла термообработки; первый был нанесен путем аустенизации при 980 ° C в течение одного часа и отпуска при 260 ° C в течение 2 часов. Второй цикл был выполнен путем аустенизации при 1150 ° C в течение одного часа и отпуска также при 260 в течение 2 часов. Образцы для металлографических исследований были отполированы до алмазной отделки 1 мкм и мкм и подверглись химическому травлению в свежеприготовленном растворе, который содержал 1 г пикриновой кислоты и 5 см ³ соляной кислоты в 100 см ³ метанола.Образцы травились в течение немного большего времени, чем можно было бы ожидать при наблюдениях в оптический микроскоп. Исследование микроструктуры проводилось с помощью светового и растрового электронного микроскопов. Образцы измерения были вырезаны с использованием водоохлаждаемого режущего аппарата для исследования XRD. Соответствующие 15-миллиметровые квадратные грани были отполированы до алмазного покрытия размером 1 мкм мкм для удаления относительно любого механически деформированного слоя на поверхности. Рентгеновская кристаллография проводилась с использованием источника рентгеновского излучения Cu. Твердость измеряли по шкале твердости Виккерса с нагрузкой 30 кг и индентором в виде алмазной пирамиды, типичным для этой шкалы.Испытание на растяжение и испытание на удар по Шарпи проводили согласно американским стандартам ASTM E8 и ASTM E23 соответственно. Испытание на износ проводилось на машине для испытания на износ «палец на кольце». Испытание проводилось на абразивном диске из SiC 70 меш при постоянной скорости 65 об / мин при различных приложенных нагрузках 30, 60, 110, 140 и 180 Н в течение 30 минут каждая. Образцы взвешивали до и после испытания на износ с использованием прецизионных цифровых весов 0,1 мг для определения потери веса. Потеря веса была взята для двух образцов как среднее значение для каждого условия.

3. Результаты и обсуждение

3.1. Микроструктура

Микроструктура литого высокохромистого белого чугуна без добавки Ti состоит из карбидов M ₇ C ₃ , которые образуются во время затвердевания в виде эвтектической фазы (смесь M ₇ C ₃ и аустенит) после образования проэвтектических аустенитных дендритов (рис.2). В более раннем исследовании Ибрагим и Нофал [12] кратко обсуждали микроструктуру этих сплавов с различными добавками Ti до 1.78% в литом состоянии. На рис. 3 показан СЭМ для карбидов, существующих в исследованных сплавах. На Рисунке 3 (а) эвтектические карбиды (M ₇ C ₃ ) распределены в матрице, а частицы TiC распределены либо в матрице, либо по эвтектическим карбидам хрома [12]. Карбиды титана также можно найти в стопке рядом с карбидами эвтектики M ₇ C ₃ (рис. 3 (b)).

Влияние добавок Ti (1,31% Ti) и температуры аустенизации на микроструктуру исследуемых чугунов показано на рисунках 4 (a) и 4 (b).Как видно на рисунке 4 (а), образцы, обработанные при 980 ° C, получили микроструктуру, состоящую из карбидов M ₇ C ₃ , внедренных в мартенситную матрицу, карбидов TiC, небольшого количества остаточного аустенита, а также небольшого количества вторичного карбиды. Образцы, аустенитизированные при 1150 ° C, показали структуру, состоящую из сетчатых эвтектических карбидов ((Cr, Fe) ₇ C ₃ , M ₇ C ₃ ), внедренных в аустенитную матрицу, вторичных карбидов и TiC. частицы (рисунок 4 (б)).Эти частицы TiC имеют граненую кубовидную морфологию со средним диаметром примерно 3-4 мкм мкм. Объемная доля частиц TiC увеличивается с увеличением содержания Ti в сплаве. Частицы TiC равномерно распределены по матрице.

Микроструктура образцов, обработанных при 980 ° C в течение 1 часа, показывает небольшие количества обильных мелких выделений вторичных карбидов и сфероидального мартенсита, которые выглядят темными на микрофотографии (Рисунок 5). Эти мелкие вторичные карбиды однородны по размеру и равномерно распределены в матрице.Они локализуются в зернах аустенита, где сетчатые эвтектические карбиды практически не изменяются после термообработки. Выделение вторичных карбидов из аустенита приводит к снижению содержания Cr и C в аустените. Истощение как C, так и Cr в аустенитной фазе, следовательно, приведет к сдвигу начальной температуры мартенсита на более высокий уровень температуры. Таким образом, начальная температура мартенсита будет повышена до температуры выше комнатной. Поэтому при последующем охлаждении до температуры окружающей среды аустенит превращается в мартенсит.Хотя большое количество аустенита превращается в мартенсит после термообработки, все же железо содержит небольшое количество остаточного аустенита.

Профили дифракции рентгеновских лучей исследуемых сплавов после термообработки по сравнению с состоянием в литом состоянии показаны на рисунках 6 (a) –6 (c). Пики, связанные с фазой аустенита и фазой мартенсита, обозначены и M соответственно. Например, сравнивая результаты после термообработки с результатами для отливки, видно, что количество мартенсита заметно увеличивается, в то время как количество остаточного аустенита значительно уменьшается при применении термообработки.В литом состоянии вторичные карбиды не могут быть обнаружены, потому что эвтектические карбиды M ₇ C ₃ являются наиболее образующимися карбидами в литом состоянии, тогда как после обработки вторичные карбиды более очевидны (M ₂₃ С ₆ ). Это наблюдение согласуется с особенностями микроструктуры, полученными в этом исследовании (рисунки 2 и 5), а также с другими исследованиями, проведенными Carpenter et al. [13] и Видьерти и др. [14]. Некоторые кристаллографические данные дифрактометра представлены в таблице 2.В этой таблице показаны значения sin ² , полученные для фазы, составляющей угол Брэгга. Таблица определяет также интервал между фазовыми индексами. Параметры решетки и для эвтектического карбида хрома (Fe, Cr) ₇ C ₃ были рассчитаны по данным, приведенным в таблице 2. Это связано с тем, что этот тип карбида (Fe, Cr) ₇ C ₃ имеют гексагональную структуру кристаллической решетки и поэтому индексируются с помощью системы координат Миллера-Браве.Значения и составили 1,394 и 0,452 нм соответственно. Кроме того, был оценен параметр решетки как первичного, так и эвтектического аустенита. Установлено, что для первичного и эвтектического аустенита оказалось равным 0,361 и 0,359 нм соответственно.

900usten 0,3 d — расстояние (Å) Интенсивность (%) Фаза 2,036 45.6 0,1431 Карбид 2,011 17,6 0,1431 Карбид 2,080 62,0 0,1372 Аустенит 1,268 2,87 2,073 40,7 0,1379 Эвтектический аустенит 0,827 2,6 0,8677 Эвтектический аустенит 0.904 3,2 0,7278 Аустенит

Микроструктура чугунов, обработанных при 980 ° C (рис. 7), демонстрирует особенности эвтектических карбидов M ₇ C ₃ внедрен в мартенситную матрицу, карбиды TiC, небольшое количество остаточного аустенита, а также небольшое количество вторичных карбидов. С другой стороны, на рисунке 8 показаны микрофотографии образцов, подвергнутых термообработке при 1150 ° C в течение 1 часа. На нем показаны сетчатые эвтектические карбиды ((Cr, Fe) ₇ C ₃ , M ₇ C ₃ ), внедренные в аустенитную матрицу.По сравнению с другими образцами, обработанными при 980 ° C, в зернах аустенита образовалось и локализовалось очень мелкое выделение вторичных карбидов. Moreove

.

No related posts.