13.Белые чугуны, их структура, свойства, применение.
Белый чугун.
Белые чугуны подразделяются на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические. Доэвтектические белые чугуны содержат 2,14-4,3% углерода, эвтектический – 4,3%, заэвтектические – более 4,3%.
Диаграмма Fe – Fe3C отражает фазовые превращения, протекающие в белых чугунах при нагреве и охлаждении (рис. 1).
Кристаллизация белых доэвтектических чугунов начинается с выделения из жидкого раствора кристаллов аустенина; заэвтектических – с выделения первичного цементита.
При температуре 11470C(линия EF) белые чугуны претерпевают эвтектическое превращение. Оно заключается в образовании из жидкого раствора, содержащего 4,3%C, эвтектической смеси, состоящей из кристаллов аустенита с концентрацией углерода 2,14% и кристаллов цементита. Смесь эта называется ледебуритом.
При дальнейшем понижении температуры уменьшается растворимость в аустените углерода, в результате чего последний выделяется из аустенита в виде вторичного цементита.
При температуре 727oC аустенит претерпевает, как и в углеродистых сталях, эвтектоидное превращение.
Рис. 1. Диаграммы метастабильного (сплошная линия) и стабильного (пунктир) равновесия железоуглеродистых сплавов.
Таким образом, структура белого доэвтектического чугуна при комнатной температуре состоит из ледебурита, перлита и вторичного цемента (рис.2, а). Ледебуритная составляющая представляет собой светлые цементитные поля с равномерно расположенными на них темными перлитными участками. Перлит образует темные зерна; вторичный же цементит частично виден в виде светлых выделений по границам перлитных зерен, а частично сливается с цементитом ледебурита.
Эвтектический белый чугун (рис.2, б) имеет в своей структуре один ледебурит.
Структура белого заэвтектического чугуна (рис.2, в) состоит из ледебурита, в матрице которого расположены крупные призматические кристаллы первичного цементита, выделившиеся из жидкого раствора.
Образованию белого чугуна способствует большая скорость охлаждения сплава, повышенное содержание Mg от 0,5 до 1,2% (и более), а также легирующих элементов (карбидообразователей): Cr, W, V.
Из-за большего содержания цементита белые чугуны обладают высокой твердостью (до 500-700 НВ) и хрупкостью, трудно обрабатываются резанием на станках, их можно лишь шлифовать абразивным инструментом. Поэтому в качестве конструкционных материалов их применяют редко, используя только для изготовления деталей, работающих в условиях повышенного абразивного изнашивания, т.е. соприкасающихся в процессе работы с частицами песка, руды и т.п. (детали гидромашин, пескометов и др.). Для увеличения износостойкости белые чугуны легируют Cr, V, Mo и другими карбидообразующими элементами.
Большее применение находит так называемый отбеленный чугун при изготовлении массивных изделий, обладающих большой поверхностной твердостью. При этом химический состав чугуна и скорости затвердевания отливки подбирают так, что белый чугун получается лишь на поверхности, а в середине – серый чугун. Такие изделия хорошо сопротивляются износу. Это прокатные валки, вальцы и шары мельниц, волочильные доски, бандажи вагонных колес, лемехи плугов и др. Однако основная часть получаемого заэвтектического чугуна идет в переплавку, а доэвтектического на переработку (специальной термической обработкой) в ковкий чугун. В судостроении белые чугуны практически не используются. На речном флоте из белого (отбеленного) чугуна отливают роульсы черпаковых скатов многочерпаковых земонарядов, шнеки для подборщиков, применяемых при перегрузке песка, эпатитов и т.п. грузов.
Рис.2. Структура белого чугуна а) доэвтектического; б) эвтектического;
в) заэвтектического.
Что представляет собой белый чугун?
Данный тип чугуна характеризуется наличием углерода, который практически полностью представлен в структуре металла в связанном состоянии. Рассматриваемый металл — твердый и в то же время достаточно хрупкий. Он устойчив к коррозии, износу, температурному воздействию. Белый чугун довольно трудно поддается обработке посредством ручных инструментов. На изломе этот металл имеет светлый оттенок, лучистую структуру.
Основная сфера применения белого чугуна — последующая переработка. Как правило, он переделывается в сталь, во многих случаях — как раз таки в серый чугун. В промышленности его применение не слишком распространено по причине хрупкости и трудности обработки.
Процента кремния в белом чугуне существенно меньше, чем в сером. В рассматриваемом металле также может быть более высокая концентрация марганца и фосфора (отметим, что во многом их наличие предопределяется химическим составом руды, из которой выплавляется чугун). Собственно, увеличение количества кремния в металле сопровождается сокращением объема связанного углерода в его структуре.
Параметры чугуна
Плотность — 7,2 г/см3. Температура плавления составляет 1200 °С. Хрупкость и малая пластичность сплава обусловлена следующими факторами:
- Увеличение длины связи, между атомами Fe, из-за повышенного содержания углерода;
- Неполное внедрение атомов углерода в структуру матрицы железа в связи с низкой, по сравнению со сталью, температурой плавления.
Именно по этим причинам, данный твердый металлический раствор нашел широкое применение в производстве деталей, обладающих высокой прочностью. Однако, он не подходит для продукции, подвергающейся нагрузкам, значения которых быстро изменяются во времени.
Что происходит в печи — как получают чугун
Теперь рассмотрим производство чугуна непосредственно в доменной печи. Доменная печь такой конструкции как на рисунке внутри облицована кирпичом. Также она имеет достаточно простой принцип работы. При производстве чугуна, используют не только агломерат, но и кокс, известь и флюс. Эти материалы смешиваются в заданной известной пропорции, и данная смесь называется доменной шихтой. С помощью специальных подъемников она поднимается на верх доменной печи. Возгорание кокса возможно только при наличии большого количества воздуха, который обогащен кислородом. Воздух подается под большим давлением с помощью специальных фурменных отверстий внизу печи для того, чтобы он проник через пласт шихты, подаваемой сверху. Поток воздуха подогревают до 600-800С, чтобы поддерживать нужную температуру внутри печи. Чугун, который образуется из расплавленной шихты, стекает вниз и с определенной периодичностью (1 раз в 40 мин) и выпускается наружу через специальное отверстие, которое называется летка. После этого с помощью чаш больших емкостей он транспортируется в сталеплавильные цеха.
Восстановление и науглероживание железа в печи
Доменные печи работают по принципу противотока. Вот основные химические процессы, которые происходят в печи поочередно:
Восстановление железа.
Этот последовательный процесс выглядит так: Fe2O3 — Fe3O4 — FeO — Fe. В этом случае восстановителем является оксид углерода (CO), который образуется при взаимодействии CO2 с раскаленным коксом.
Науглероживание железа
Химическая реакция в данном случае выглядит так: 3Fe + 2CO = Fe3C + CO2 + Q. Карбид Fe3C легко смешивается с твердым железом, в результате чего и образуется сплав последнего с углеродом. Когда он стекает вниз, омывая куски кокса, он науглероживается еще больше. Кроме этого, такие вещества, как марганец, сера, кремний и т. д., при этом растворяются. Теперь понятно, что металл из доменной печи — это сплав железа с углеродом.
Восстановление других элементов
Марганец, кремний, сера и фосфор попадают в доменную печь вместе с шихтой в виде различных химических соединений. Высшие оксиды марганца восстанавливаются до MnO примерно по тому же принципу, что и железо: MnO2 — Mn2O3 — Mn3O4 — MnO. Чистый марганец выделяется так: MnO + C = Mn + CO — Q. Кремний попадает в печь в виде кремнезема SiO2. Его восстановление происходит по реакции SiO2 + 2C = Si + 2CO — Q.
Фосфор восстанавливается водородом, твердым углеродом и CO и, к сожалению, практически полностью переходит в чугун. Этот элемент ухудшает доменный сплав железа. В то же время, кремнезем позволяет получать чугун хорошего качества, а также высшие оксиды марганца. Марганец в некоторых случаях добавляется в доменную печь специально. При этом получается особый вид чугуна — марганцевый.
Удаление серы
Получение чугуна хорошего качества, в основном сводится к его очистке от серы, которая является нежелательным элементом. Сера — это основная вредная примесь, значительно ухудшающая свойства конечного продукта выплавки. Самое большое количество серы содержится в коксе. Удаляют серу с помощью извести (CaO), которую вводят в состав шихты, и увеличения температуры. Химическая реакция в этом случае выглядит так: FeS + CaO = FeO + CaO + Q. Чтобы снизить процент серы в чугуне можно использовать и другие способы. Например, обрабатывать выплавленный материал в выпускном желобе или чаше с содой. При этом удаление серы происходит в химической реакции FeS + NaCO3 = FeO + Na2S + CO2.
КОВКИЙ ЧУГУН
Ковкий чугун содержит углерод в виде графита в форме изолированных друг от друга хлопьев. Благодаря этому материал обладает большей пластичностью и вязкостью, чем остальные виды чугунов. Изготавливают ковкий чугун из белого чугуна, обрабатывая его длительным воздействием высокими температурами. В результате такой обработки в сплаве происходят процессы графитизации – распадается цементит, образуя графит.
Помимо своих высоких ковких характеристик, благодаря которым он и получил свое название, данный вид чугуна отличается также повышенными прочностью при растяжении и сопротивлением удару. Податливость ковкого чугуна механической обработке позволяют делать из него изделия сложной формы. Из него изготавливают тормозные колодки, угольники и прочие детали для машин и механизмов.
МАРКИРОВКА ЧУГУНА И ЕЕ РАСШИФРОВКА
По цифровым и буквенным кодам марок чугуна можно определить состав сплава, узнать его свойства и предназначение. Существуют следующие марки чугунов:
П1 и 2 — передельный чугун разной чистоты сплава
ПЛ1 и ПЛ2 – передельно-литейный чугун
ПФ1, ПФ2 и ПФ3 — передельный фосфористый чугун
ПВК1, ПВК2 и ПВК3 — передельный высококачественный чугун
СЧ — чугун с пластинчатым графитом
АЧ — антифрикционный чугун
АЧС — антифрикционный серый чугун
АЧВ — антифрикционный чугун высокопрочный
АЧК — антифрикционный чугун ковкий
ВЧ — чугун с шаровидным графитом для отливок
Ч — чугун легированный
КЧ – ковкий чугун.
Цифры после данных обозначений могут указывать на величину временного сопротивления разрывам в кгс/мм (у чугунов с пластинчатым графитом), или обозначать относительное удлинение (у чугуна с шаровидным графитом для отливок). В маркировке ковких чугунов первая цифра после буквенного сочетания КЧ означает предел прочности на разрыв в МПа, а вторая — относительное удлинение в процентах. Стоит еще пояснить, что словом «передельный» называют чугун, который прошел два этапа обработки: на первом этапе из руды получают чугун, а на втором – чугун перегоняют в сталь.
Остались еще вопросы? Оставьте заявку и мы Вам перезвоним.
Виды и состав белого чугуна
Классификация материала проводится в основном по двум критериям – физической структуре металла и по составу входящих в него компонентов.
Если берется классификация по составу, то здесь проводится анализ цементитной эвтектики – внутренней структуры материала, она во многом зависит от составляющих химических элементов, а именно углерода.
В этой классификации имеется три категории материалов:
- Материал, в котором доля углерода не превышает 4,3%, называется доэвтектическим. Данная структура образуется после полного остывания. В свою очередь эта категория делится на материалы, имеющие структуру как перлит, ледебурит и вторичный цементит;
- При содержании углерода 4,3% материал относится к категории эвтектических чугунов;
- Заэвтектический материал имеет в своем составе от 4,3 до 6,6% углерода.
Вторая классификация делит белый чугун на обыкновенный, отбеленный и легированный.
Обыкновенный белый чугун является сплавом двух компонентов – железа и углерода. В разрезе он имеет мелкозернистую структуру, даже несмотря на высокотемпературную обработку, эта структура остается неизменной.
В класс белого чугуна относится и отбеленный чугун. Особенность данного сплава заключается в том, что основой для него выступает высокопрочный серый чугун, а поверхностный слой, включающий большое количество ледебурита и перлита придает ему характерный белый цвет. Такой эффект достигается при быстром охлаждении заготовки, глубина отбеливания может достигать 30 мм.
Легированные виды белого чугуна делятся на низко, средне и высоколегированные марки. Данное разделение зависит от содержания в металле легирующих компонентов. В процентном соотношении это выглядит так:
- До 2,5%добавок – низколегированные марки чугуна;
- от 2,5 до 10% – среднелегированный белый чугун;
- свыше 10% – высоколегированный белый чугун.
Добавление в состав легирующих добавок дает возможность получить материал с заранее определенными качествами и параметрами. Нужно отметить, что в качестве добавок используются обычные, наиболее распространенные добавки, применяемые в металлургии для выплавки марочных сталей и чугунов.
Виды чугуна
В общепринятой классификации разделяют по форме содержащегося углерода.
Белый
Называется так из-за характерного окраса скола. Углерод C содержится в виде цементита (формула Fe3C), образующегося при остывании расплава. Твердый тугоплавкий материал.
В доэвтектических сплавах – в составе перлита и ледебурита. В эвтектических – в ледебурите. В заэвтектических – первичный цементит и ледебурит.
В исходном виде такой чугун практически не используется. Не поддается обработке инструментом из «быстрорежущей» стали. Только с насадками из карбидов (ВК), да и то с трудом.
Применяется в качестве сырья для получения ковкого.
Серый
Также именуется по оттенку на сколе. Содержит фракции графита различной формы. Осаждению углерода способствует добавка кремния.
Свойства и структура сильно зависят от условий остывания после кристаллизации.
Быстрое охлаждение даст преобладание перлита. Сплава феррита и карбида. Своеобразная «закалка» повысит прочность и твердость. И хрупкость, что не всегда приемлемо.
Щадящее остывание определяет рост содержания феррита. Сплава железа с оксидами, в основном с Fe2O3. Улучшится пластичность. Поэтому режимы подбирают исходя из требуемых параметров.
Серый чугун удобен для литых конструкций. Отличается невысокой температурой отвердения, хорошей жидкотекучестью. Не склонен к образованию раковин.
При всем этом, углеродные вкрапления обуславливают низкую трещиностойкость. Материал уверенно воспринимает сжимающие усилия, но совершенно непригоден при растяжении/изгибе.
В маркировке указываются символы СЧ и предельная прочность в кг/мм2: СЧ25. Наиболее распространены чугуны с содержанием C ниже 3,7%.
Ковкий
Для изготовления белый чугун нагревают до нужной температуры, выдерживают достаточное время и медленно остужают («отжиг»). Процесс провоцирует процесс распада Fe3C с выделением графита и появление феррита.
По форме включения углерода не похожи на аналогичные в сером чугуне. Этим объясняется появление некоторой стойкости к разрыву и ударной вязкости.
Маркируется «КЧ» с добавлением допустимой прочности на растяжение в МПа х 10-1 и максимального относительного удлинения. Пример: КЧ 35-11.
Высокопрочный
Вид серого чугуна, только графитовые образования по форме напоминают шарики. Округлость включений делает кристаллическую решетку не склонной к образованию трещин.
В результате ценные изначально свойства чугунов (стойкость к сжатию, удобство литья и т. д.) дополняются сравнимым со сталями пределом текучести при растяжении, появляется трещиностойкость, пластичность.
Маркируются аналогично ковким, но с обозначением «ВЧ».
Специальные
Выпуск таких марок невелик, до 2% от общего объема. Могут содержать значительное количество легирующих элементов. Предназначены для ограниченных целей и специфических условий. Распространены коррозионно и химически стойкие ферросплавы.
Одна из разновидностей – антифрикционный чугун. Используется для изготовления трущихся деталей. Легируется в первую очередь хромом. Также добавляются никель, титан, медь и прочие.
Отличается высокой твердостью (до HB 300) и низким коэффициентом трения (до 0,8 при отсутствии смазывающих эмульсий).
Базовые материалы: серый, ковкий и высокопрочный чугуны. Маркировки соответственно – АЧС, АЧК, АЧВ. Цифровые составляющие описаны выше.
Отличия от стали
По технологическому процессу чугун является первичным продуктом, получаемый путём литья, а сталь конечным. Молекулярное построение стали содержит углерод в ничтожном объёме. Материал пластичный, хорошо поддаётся механической обработке. Изготовление продукции осуществляется ковкой, сваркой, прокаткой на станах. Имеет высокую температуру плавления. По технологии сталь подлежит закалке. Качество зависит от приготовленной смеси и от того, какая температура плавления сталей задана.
Скорость превращение стали в жидкое состояние находится в зависимости от различных добавок. Конкретно ответить на вопрос, при какой температуре плавится сталь, можно условно, указав лишь диапазон нагрева. Переход из твёрдого вещества в жидкую консистенцию происходит при температуре 1450—1600 C° .Приведённый цифровой параметр указывает на отличие стали от чугуна. Это различные температуры плавления.
Чугун не так прочен, как сталь. Отлитые заготовки содержат поры, придающие им хрупкость. Именно в процессе литья получают изделия из чугуна. Наличие микроскопических пустот снижает теплопроводные характеристики металла
Важно задать тепловой режим, зафиксировать, при какой температуре плавится чугун
Чёрная металлургия производит несколько разновидность первичного продукта. Рассмотрим некоторые из них.
Сероватый чугун
Сплавы, образованные компонентами железа и углерода, изменяют структуру при интеграции хлопьевидного, пластинчатого, волокнистого графита. Производители получают чугун повышенной прочности, добавляя графит глобулярный. Присутствие в замесе Mg, Ce (магний, церий) мотивируют его модификацию. От того, как быстро расплавленный чугун остывает, он приобретает новые потребительские характеристики. Получают изделия нужного качества от умелого сочетания конкретных свойств.
Для облегченного поиска нужного материала в каталогах, изделия маркируются аббревиатурой С. Ч. Цифры , следующие после букв, указывают на предел силовой нагрузки в килограммах/на миллиметр квадратный. Металл повышенной прочности имеет буквенное обозначение В. Ч. Цифры , показывают величину прочности, а также через дефис — увеличения длины в процентном отношении. Например, ВЧ60−1
Чугун серый обладает отличными технологическими показателями в процессе его производства:
- Кристаллизация не требует запредельных температур, что положительно сказывается на экономии электрической, других видов энергии.
- Показывает уникальную жидкостную текучесть.
- При разливе демонстрирует оптимальную усадку.
Металл благодаря уникальным свойствам является базовым материалом для производства изделий.
Имеет недостатки в применении. Изготавливают узлы, детали, работающие только на сжатие. Отливают станины для станков, цилиндры, различные поршни и так далее. Критичные показатели по хрупкости не позволяют использовать для производства изделий, работающих в условиях силовых воздействий на изгиб. Температура плавления 1150 — 1260 C°
Цвета отбеленного полотна
Белый чугун содержит железоуглеродистое соединение, называемое цементитом. Обладает колоссальной твёрдостью, исключающую пластичность. Если произвести разлом металла, то цвет виден на изломе. Чугун тверже камня и хрупок, как яичная скорлупа. Подвергают обработке с целью получить ковкое разнообразие. Температура плавления происходит в диапазоне 1150 — 1350 C °. Уместно заметить, что термин ковкий используется условно, поскольку металл не поддаётся пластической обработке. Ковкий чугун получают в результате термического обжига.
Нагрев материала свыше 900 градусов по Цельсию влияет на его свойства. К такому результату приводит и быстрота остывания графита. Несоблюдение технологических параметров ведёт к усложнению производства сварочных работ, обработке заготовок.
Интересные факты
По мнению профессора Мариенбаха, свое название чугун получил от китайского слова – «чжугун», что в переводе означает «литейщик».
Чугунная посуда издавна используется по всему миру и очень удобна для приготовления различных видов пищи.
Неотъемлемым атрибутом русских народных сказок является печь, в которой в чугунке – сосуде определенной формы и отлитой из данного сплава, герои варили главное блюдо – картошку в мундире.
Самые лучшие блины получаются на чугунной сковородке.
До появления электрических утюгов, хозяйки использовали тяжелые чугунные утюги, с идеально гладкой подошвой нагревая её до красна, над источником огня.
Следующим этапом, были угольные чугунные утюги по своей конструкции напоминающие маленькие печки. Для их разогрева внутрь помещали березовый уголь. Такой утюг даже имел трубу для получения необходимой тяги.
Известные нам с детства канализационные люки для смотровых колодцев имели круглую форму, отливались из чугуна и были впервые изготовлены сто пятьдесят лет назад.
Производство чугуна во всем мире в 2015 году составило более 898 млн. тонн, что на 3% меньше чем в 2008 году.
