Чугуны бывают. Какими свойствами и характеристиками обладает материал? Что их отличает

(польск. stal, от нем. Stahl) - деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (и другими элементами), характеризующийся эвтектоидным превращением. Содержание углерода в стали не более 2,14 %, но не менее 0,022 %. Углерод придаёт сплавам железа прочность и твёрдость, снижая пластичность и вязкость.

Учитывая, что в сталь могут быть добавлены легирующие элементы, сталью называется содержащий не менее 45 % железа сплав железа с углеродом и легирующими элементами (легированная, высоколегированная сталь).

В древнерусских письменных источниках сталь именовалась специальными терминами: "Оцел", "Харолуг" и "Уклад". В некоторых славянских языках и сегодня сталь называется "Оцел", например в чешском.

Сталь - важнейший конструкционный материал для машиностроения, транспорта, строительства и прочих отраслей народного хозяйства.

Стали с высокими упругими свойствами находят широкое применение в машино- и приборостроении. В машиностроении их используют для изготовления рессор, амортизаторов, силовых пружин различного назначения, в приборостроении - для многочисленных упругих элементов: мембран, пружин, пластин реле, сильфонов, растяжек, подвесок.

Пружины, рессоры машин и упругие элементы приборов характеризуются многообразием[источник не указан 122 дня] форм, размеров, различными условиями работы. Особенность их работы состоит в том, что при больших статических, циклических или ударных нагрузках в них не допускается остаточная деформация. В связи с этим все пружинные сплавы кроме механических свойств, характерных для всех конструкционных материалов (прочности, пластичности, вязкости, выносливости), должны обладать высоким сопротивлением малым пластическим деформациям. В условиях кратковременного статического нагружения сопротивление малым пластическим деформациям характеризуется пределом упругости, при длительном статическом или циклическом нагружении - релаксационной стойкостью

Классификация

Стали делятся на конструкционные и инструментальные. Разновидностью инструментальной является быстрорежущая сталь.

По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные; в том числе по содержанию углерода - на низкоуглеродистые(до 0,25 % С), среднеуглеродистые(0,3-0,55 % С) и высокоуглеродистые(0,6-0,85 % С); легированные стали по содержанию легирующих элементов делятся на низколегированные, среднелегированные и высоколегированные.

Стали, в зависимости от способа их получения, содержат разное количество неметаллических включений. Содержание примесей лежит в основе классификации сталей по качеству: обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные.

По структуре сталь различается на аустенитную, ферритную, мартенситную, бейнитную или перлитную. Если в структуре преобладают две и более фаз, то сталь разделяют на двухфазную и многофазную.

Характеристики стали

Плотность - 7700-7900 кг/м³.

Удельный вес - 75537-77499 н/м³ (7700-7900 кгс/м³ в системе МКГСС).

Удельная теплоемкость при 20 °C - 462 Дж/(кг·°C) (110 кал/(кг·°C)).

Температура плавления - 1450-1520 °C.

Удельная теплота плавления - 84 кДж/кг (20 ккал/кг).

Коэффициент теплопроводности - 39 ккал/(м·час·°C) (45,5 Вт/(м·К)).[источник не указан 136 дней]

Коэффициент линейного теплового расширения при температуре около 20 °C:

сталь Ст3 (марка 20) - (1/град);

сталь нержавеющая - (1/град).

Предел прочности стали при растяжении:

сталь для конструкций - 38-42 (кГ/мм²);

сталь кремнехромомарганцовистая - 155 (кГ/мм²);

сталь машиностроительная (углеродистая) - 32-80 (кГ/мм²);

сталь рельсовая - 70-80 (кГ/мм²);

Сплав железа с углеродом (содержанием обычно более 2,14 %), характеризующийся эвтектичесим превращением. Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита и графита. В зависимости от формы графита и количества цементита, выделяют: белый, серый, ковкий и высокопрочные чугуны. Чугуны содержат постоянные примеси (Si, Mn, S, P), а в некоторых случаях также легирующие элементы (Cr, Ni, V, Al и др.). Как правило, чугун хрупок. Мировое производство чугуна в 2007 составило 953 млн тонн (в том числе в Китае - 477 млн тонн).

Виды чугунa

Белый чугун

В белом чугуне весь углерод находится в виде цементита. Структура такого чугуна - перлит, ледебурит и цементит. Такое название этот чугун получил из-за светлого цвета излома.

Серый чугун

Серый чугун - это сплав железа, кремния (от 1,2- 3,5 %) и углерода, содержащий также постоянные примеси Mn, P, S. В структуре таких чугунов большая часть или весь углерод находится в виде графита пластинчатой формы. Излом такого чугуна из-за наличия графита имеет серый цвет.

Ковкий чугун

Ковкий чугун получают длительным отжигом белого чугуна, в результате которого образуется графит хлопьевидной формы. Металлическая основа такого чугуна: феррит и реже перлит.

Высокопрочный чугун

Высокопрочный чугун имеет в своей структуре шаровидный графит, который образуется в процессе кристаллизации. Шаровидный графит ослабляет металлическую основу не так сильно как пластинчатый, и не является концентратором напряжений.

Половинчатый чугун

В половинчатом чугуне часть углерода (более 0,8 %) содержится в виде цементита. Структурные составляющие такого чугуна - перлит, ледебурит и пластинчатый графит.

Классификация

В зависимости от содержания углерода серый чугун называется доэвтектическим (2,14-4,3 % углерода), эвтектическим (4,3 %) или заэвтектическим (4,3-6,67 %). Состав сплава влияет на структуру материала.

В зависимости от состояния и содержания углерода в чугуне различают: белые и серые (по цвету излома, который обуславливается структурой углерода в чугуне в виде карбида железа или свободного графита), высокопрочные с шаровидным графитом, ковкие чугуны, чугуны с вермикулярным графитом. В белом чугуне углерод присутствует в виде цементита, в сером - в основном в виде графита.

В промышленности разновидности чугуна маркируются следующим образом:

передельный чугун - П1, П2;

передельный чугун для отливок - ПЛ1, ПЛ2,

передельный фосфористый чугун - ПФ1, ПФ2, ПФ3,

передельный высококачественный чугун - ПВК1, ПВК2, ПВК3;

чугун с пластинчатым графитом - СЧ (цифры после букв "СЧ", обозначают величину временного сопротивления разрыву в кгс/мм);

антифрикционный чугун

антифрикционный серый - АЧС,

антифрикционный высокопрочный - АЧВ,

антифрикционный ковкий - АЧК;

чугун с шаровидным графитом для отливок - ВЧ (цифры после букв "ВЧ" означают временное сопротивление разрыву в кгс/мм и относительное удлиненние(%);

чугун легированный со специальными свойствами - Ч.

3.До́менная печь,

до́мна - большая металлургическая, вертикально расположенная печь шахтного типа для выплавки чугуна, ферросплавов из железорудного сырья. Первые доменные печи появились в Европе в середине XIV века, в России - около 1630 г.

Описание

Доменная печь представляет собой сооружение высотой до 35 м, высота ограничивается прочностью кокса, на котором держится весь столб шихтовых материалов. Загрузка шихты осуществляется сверху, через типовое загрузочное устройство, которое одновременно является и газовым затвором доменной печи. В домне восстанавливают богатую железную руду (на современном этапе запасы богатой железной руды сохранились лишь в Австралии и Бразилии), агломерат или окатыши. Иногда в качестве рудного сырья используют брикеты.

Доменная печь состоит из пяти конструктивных элементов: верхней цилиндрической части - колошника, необходимого для загрузки и эффективного распределения шихты в печи; самой большой по высоте расширяющейся конической части - шахты, в которой происходят процессы нагрева материалов и восстановления железа из оксидов; самой широкой цилиндрической части - распара, в котором происходят процессы размягчения и плавления восстановленного железа; суживающейся конической части - заплечиков, где образуется восстановительный газ - монооксид углерода; цилиндрической части - горна, служащего для накопления жидких продуктов доменного процесса - чугуна и шлака.

В верхней части горна располагаются фурмы - отверстия для подачи нагретого до высокой температуры дутья - сжатого воздуха, обогащенного кислородом и углеводородным топливом.

На уровне фурм развивается температура около 2000 °C. По мере удаления вверх температура снижается, и у колошников доходит около 270 °C. Таким образом в печи на разной высоте устанавливается разная температура, благодаря чему протекают различные химические процессы перехода руды в металл.

Процессы, протекающие в печи

В верхней части горна, где приток кислорода достаточно велик, кокс сгорает, образуя диоксид углерода и выделяя большое количества тепла.

C + O 2 = CO 2 + Q

Диоксид углерода, покидая зону, обогащенную кислородом, вступает в реакцию с коксом и образует монооксид углерода - главный восстановитель доменного процесса.

Поднимаясь вверх монооксид углерода взаимодействует с оксидами железа, отнимая у них кислород и восстанавливая до металла:

Fe 2 O 3 + 3CO = 2Fe + 3CO 2

Полученное в результате реакции железо каплями стекает по раскаленному коксу вниз, насыщаясь углеродом, в результате чего получается сплав, содержащий 2,14 - 6,67 % углерода. Такой сплав называется чугуном. Кроме углерода в него входят небольшая доля кремния и марганца. В количестве десятых долей процента в состав чугуна входят также вредные примеси - сера и фосфор. Кроме чугуна в горне образуется и накапливается шлак, в котором собираются все вредные примеси.

Ранее, шлак выпускался через отдельную шлаковую лётку. В настоящее время и чугун, и шлак выпускают через Чугунную летку одновременно. Разделение чугуна и шлака происходит уже вне доменной печи - в желобе, при помощи разделительной плиты. Отделенный от шлака чугун сливается в чугуновозные ковши и вывозится в сталеплавильный цех.

Чугунами называют железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2,14% углерода. В машиностроении чугун является одним из основных литейных материалов, что объясняется прежде всего его хорошими литейными и прочностными свойствами. Он не подвергается обработке давлением. Главным фактором, определяющим свойства, а, следователь­но, и область применения чугуна, является его структура, которая может быть разнообразной.

По структуре чугуны делят на белые,серые, ковкие и высокопрочные.

9.1. Белые чугуны.

Белым называется чугун, в котором весь углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементита Fe 3 C, который придает излому чугуна белый блестящий цвет.

Фазовые превращения в этих чугунах протекают согласно метастабильной диаграмме Fе - Fe 3 С (см. рис.23). По структуре белые чугуны делятся на:

а) доэвтектические, содержащие от 2,14 до 4,3 С. Они состоят из перлита, ледебурита и вторичного цементита, выделяющегося из зерен аустенита в интервале температур от 1147° (линия ЕС) до 727° (линия SК). Вторичный цементит сливается с цементитом ледебурита и может быть не виден на микрошлифе как самостоятельная структурная составляющая (рис. 51,а);

б) эвтектические, содержащий 4,3% С. Он состоит из эвтектики -ледебурита, представляющего собой механическую смесь цементита и перлита (рис. 51,б);

В) заэвтектические, содержащие от 4,3% до 6,67% С. Они состоят из первичного цементита, выделяющегося в виде крупных пластин и ледебурита (рис. 51, в).

Рис. 51.Структура белого чугуна: а) доэвтектического б) эвтектического в) заэвтектического

В микроструктуре белого чугуна содержится много цементита, поэ­тому он очень тверд и хрупок, но хорошо сопротивляется износу. Он почти не поддается обработке резанием (за исключением абразивного), поэтому белые чугуны не находят непосредственного применения в машиностроении, их используют редко, только для изготовления дета­лей, работающих в условиях повышенного абразивного изнашивания (детали гидромашин, пескометов и др.). Будучи главным продуктом доменной плавки, этот чугун используется вметаллургии для передела в сталь (передельный чугун). В незначительном количестве белый чугун применяется также для получения ковкого чугуна.

9.2. Серые чугуны.

Серым называется чугун, в котором углерод находится в виде гра- фита, имеющего форму слегка изогнутых пластин или чешуек, или разветвленных розеток с пластинчатыми лепестками. Вследствие большого количества графита в структуре такой чугун в изломе имеет серый цвет.

Кремний способствует процессу графитизации, уменьшает усадку, кремний входит в состав феррита, образуя с α-железом твердый раствор замещения.

Марганец увеличивает склонность чугуна к сохранению цементита, а следовательно, и увеличивает твердость чугуна.

Сера - вредная примесь чугунов, она повышает их твердость и хрупкость в 5-6 раз больше, чемMn и значительно ухудшает литейные свойства.

Фосфор в небольших количествах в чугунах является полезной примесью (в отличие от сталей), улучшает литейные свойства серого чу- гуна, так как фосфор образует эвтектику Fe+Fe 2 P, плавящуюся при тем- пературе 983°С, что ценно для производства тонкостенного дутья. Химический состав серых чугунов: 2,5…4% С; 1,0…4,8% Si; 0,5…0,7% Mn; до 0,12% S; 0,2…0,5% P.

По структуре металлической основы серые чугуны подразделяют в основном на следующие группы;

1. Перлитные. Структура П+ПГ (пластинчатый графит), металлическая основа - П, а количество связанного углерода (Fe 3 C) равно эвтектоидной концентрации 0,8% (рис. 52, а).

2. Ферритно-перлитные. Структура Ф +П+ПГ, металлическая основа их состоит из Ф + П, а количество Fe 3 C меньше эвтектоидной концентрации (рис. 52, б).

3. Ферритные. Структура Ф + ПГ. Основа их состоит из Ф, а Fe 3 C=0 (рис. 52, в).

Рис.52.Структура серого чугуна: а)перлитного б) ферритно-перлитного в)ферритного

Механические свойства чугуна зависит от свойства металлической основы, количества и размеров графитных включений. При конструиро­вании деталей машин следует учитывать, что серые чугуны работают на сжатие лучше, чем на растяжение. Они мало чувствительны к надрезам при циклическом нагружении, хорошо поглощают колебания при вибрациях, обладают высокими антифрикционными свойствами из-за смазывающей способности графита. Серые чугуны хорошо обрабатываются резанием, дешевы и просты в изготовлении. Наряду с этими положительными свойствами они имеют сравнительно невысокую прочность и чрезвычайно низкую пластичность.

Марка серого чугуна состоит из букв СЧ (серый чугун) и цифры, показывающей уменьшенное в 10 раз значение (в мегапаскалях) временного сопротивления при растяжении (табл.7).

Прочность чугуна существенно зависит от толщины стенки отливки. Указанное в марке значение σ в соответствует отливкам с толщиной стенки 15 мм. При увеличении толщины стенки от 15 до 150 мм прочность и твердость чугуна уменьшаются почти в два раза.

Графит, ухудшая механические свойства, в то же время придает чугунам ряд ценных свойств. Он измельчает стружку при обработке ре- занием, оказывает смягчающее действие и, следовательно, повышает из- носостойкость чугунов, придает им демпфирующую способность. Кроме того, пластинчатый графит обеспечивает малую чувствительность чугу- нов к дефектам поверхности. Благодаря этому сопротивления усталости чугунных и стальных деталей соизмеримы.

Согласно ГОСТ 1412-85 отливки изготавливают из серого чугуна следующих марок: СЧ10, СЧ15, СЧ18, СЧ20, СЧ25, СЧ30, СЧ35. Цифры в обозначении марки соответствуют минимальному пределу прочности при растяжении (σ в, кгс/мм 2). Чугун СЧ10 - ферритный, а начиная с СЧ25 и более - перлитные, промежуточные - ферритно-перлитные.

Из ферритных чугунов изготавливают в основном неответственные детали, к которым предъявляются главным образом требования хорошей обрабатываемости резанием, а не прочности, например, плиты, грузы, корыта, крышки, кожухи и др.

Из ферритно-перлитных чугунов в автомобилестроении изготавливают картеры, тормозные барабаны, крышки, поршни, поршневые кольца, крупные шкивы, зубчатые колеса и др.

Из перлитных - блоки цилиндров, гильзы, маховики и др. В станкостроении серый чугун является основным конструкционным материалом (станины станков, столы и верхние салазки, шпиндельные бабки, колонки, каретки и т.д.), К износостойким относится отбеленный серый чугун(0Ч), имеющий тонкий поверхностный слой со структурой белого чугуна. применяется для изготовления отливок прокатных валков, вагонных колёс и т.д.

Ковкие чугуны.

Название "ковкий чугун" является условным, поскольку изделия из него, как и из любого другого чугуна изготавливают не ковкой, а литьем. Название "ковкий" этот чугун получил вследствие более высоких, по сравнению с серыми чугунами пластических свойств.

Принципиальная схема технологии получения деталей из ковкого чугуна состоит из двух операций. Сначала путем отливки из белого доэвтектического чугуна получают детали (рекомендуемый химический состав заливаемого в формы сплава: 2,4...2,9% С; 1,0...1,6% Si ; 0,3...1,0% Мn ; ≤ 0,1% S; ≤ 0,2% Р, затем полученные отливки подвергают специальному графитизирующему отжигу (томлению). Отжиг состоит обычно из двух стадий (рис. 53).

Вначале отливки из белого чугуна (чаще упакованные в ящики с песком) медленно нагревают в течение 20...25 ч до температуры 950...1050°С. И при этой же температуре длительно их выдерживают (в течение 10...15 ч). В этот период протекает первая стадия графитизации, т.е. распад цементита, входящего в состав ледебурита(А +Fe 3 С), и установление стабильного равновесия аустенит + графит.

В результате распада цементита образуется хлопьевидный графит (углерод отжига).

Металлическая основа чугуна формируется на второй стадии отжига при эвтектоидном превращении. В случае непрерывного охлаждения отливки (на воздухе) в области эвтектоидной (727°С) температуры аустенит распадается на перлит и процесс графитизации не успеет охватить цементит перлита. Чугун принимает структуру: перлит пластинчатый + хлопьевидный графит (ХГ) Он обладает высокими твердостью, прочностью и небольшой пластичностью (НВ 235...305, σ в = 650... 680 МПа, δ = 3,0...15%). Для повышения пластичности при сохранении достаточно высокой прочности проводится непродолжительная (2...4 ч) изотермическая выдержка чугуна или замедленное охлаждение при температурах 690...650°С. Это вторая стадия отжига, представляющая собой в данном случае отжиг на зернистый перлит.

Рис. 53. График отжига белого чугуна на ковкий

В машиностроении широко применяется ферритный ковкий чугун, характеризующийся высокой пластичностью (δ = 10...12%) и относи -тельно низкой прочностью (σ в = 370...300 МПа). Ферритная основа чугуна образуется при очень медленном прохождении интервала 760... 720° С или в процессе изотермической выдержки при 720...700°С. Здесь аустенит и цементит, в том числе и цементит перлита, если перлит успел обрадоваться, распадается на феррит + хлопьевидный графит. Хлопьевидная форма графита является основной причиной более высокой прочности и пластичности ковкого чугуне по сравнению с серым чугуном (см. табл.7).

Продолжительность отжига в целом составляет 48...96 ч (длительность II стадии примерно в 1,5 раза больше, чем I). Для сокращения продолжительности отжига в расплав перед его разливкой по формам (вводится (модифицируют) алюминий (реже бор, висмут и др.), что создает дополнительные искусственные центры образования графита. Согласно ГОСТ 1215-79 выпускают следующие марки ковких чугунов КЧ30-8 , КЧ35-10, КЧ37-12, КЧ45-7, КЧ50-5, КЧ55-4, КЧ60-3, КЧ65-3, КЧ70-2, КЧ80-1,5. Первые две цифры соответствуют минимальному пределу

прочности при растяжении (σ в,кгс/мм 2); цифры после тире - относительное удлинение (δ , % )

Ковкие чугуны применяются для деталей, работающих при ударных вибрационных нагрузках (ступицы, тормозные колодки, коленчатые валы, крюки, картеры редукторов и др.).

Основным недостатком получения КЧ является длительный отжиг отливок и ограничение толщины их стенок (до 50 мм). В пассивных деталях в результате замедленного охлаждения при кристаллизации возникает пластинчатый графит (вместо хлопьевидного), который снижает прочность и пластичность чугуна.

Таблица 7. Механические свойства чугунов.

Серые чугуны (ГОСТ 1412 - 85)

Высокопрочные чугуны (ГОСТ 7293 - 85)

Ковкие чугуны (ГОСТ 1215 – 79

9.4. Высокопрочные чугуны.

Высокопрочный чугун получают при модифицировании (микролегировании жидкого чугуна магнием (0,1...0,5%) или церием (0,2...0,3%). При этом под действием магния графит в процессе кристаллизации принимает не пластинчатую, а шаровидную форму. Микроструктура модифицированного чугуна на ферритной и на перлитной основе приведена на рис. 54, а, б.

Рис. 54. Структура высокопрочного чугуна: а)ферритного б) перлитного

Основной причиной высоких механических свойств высокопрочного чугуна (табл. 7) является шаровидная форма графита. Шаровидный графит, имеющий минимальную поверхность при данном объеме, значительно меньше ослабляет металлическую основу чугуна, чем пластинчатый графит. В отличие от последнего он не является активным концентратором напряжений.

Согласно ГОСТ 7293-85, отливки изготавливают из высокопрочного чугуна следующих марок: ВЧ35, ВЧ40, ВЧ45, ВЧ50, ВЧ60, ВЧ70, ВЧ80, ВЧ100 (цифры в обозначении соответствуют минимальному пределу прочности при растяжении σ в, кгс/мм 2)

Высокопрочный чугун имеет высокие механические характеристики, обладает хорошими литейными и технологическими свойствами. Он применяется как новый материал и как заменитель стали, ковкого и серого чугуна с пластинчатым графитом. По сравнению со сталью обладает большей износостойкостью, лучшими антифрикционными и антикоррозионными свойствами, лучшей обрабатываемостью резанием, Вследствие меньшей плотности отливки легче стальных на 8...10%. Из высокопрочного чугуна, в отличие от ковкого, можно отливать детали любого сечения, массы и размеров.

Области применения: в станкостроении - суппорты, резцедержатели, тяжелые планшайбы, шпиндели, рычаги и др.; для прокатного и кузнечно-прессового оборудования - прокатные валки, станины прокатных станов и ковочных молотов, шаботы, траверсы прессов; для других видов оборудования - барабаны тельферов экскаваторов, коленчатые валы и т.д.

9.5. Легированные чугуны.

Требования к легированным чугунам для отливок с повышенной жаростойкостью, коррозионной стойкостью, износостойкостью или жаропрочностью регламентированы ГОСТ 7769-82. Марки легированных чугунов и их свойства приведены в табл. 8.

Легированные чугуны подвергаются термической обработке для обеспечения необходимых свойств и структуры.

Важным свойством легированных чугунов является сопротивление износу.

В качестве антифрикционных используются чугуны по ГОСТ 1585-85. Они предназначены для изготовления деталей, работающих в узлах трения со смазкой. Стандарт определяет марки антифрикционных чугунов, их химический состав, характеристики, назначение, форму, размер и распределение графита, дисперсность перлита, характер распределения фосфидной эвтектики, твердость и предельные режимы эксплуатации деталей из этих чугунов. Основой их является железо, постоянные компоненты, %: 2,2-4,3 С; 0,5-4,0 Si; 0,3-12,5 Mn. Допускаются примеси, % : 0,1-1 Р; 0,03-0,2 S.

Марки антифрикционных чугунов, их характеристики и на значение представлены в табл. 9.

Таблица 8.

Марки и свойства легированных чугунов(ГОСТ 7769-82)

Таблица 9.

Марки антифрикционных чугунов, их свойства и назначение

(ГОСТ 1585-85)

Буквы в обозначениях марок чугунов означают: АЧ - анти­фрикционный чугун, С - серый чугун с пластинчатым графитом, В - высокопрочный чугун с шаровидным графитом, К - ковкий чугун с хлопьевидным графитом. Твердость отливок из анти­фрикционных чугунов (от 100 до 290 НВ) зависит от содержания элементов и условий термической обработки.

Предельные режимы работы деталей из этих чугунов в узлах трения: удельное давление (50 - 300) 10 4 Па (5-300 кгс/см 2), ок­ружная скорость 0,3-10 м/с.

В истории человеческой цивилизации огромную роль сыграло железо. Человек начал использовать изделия из железа еще в начале I тысячелетия до н. э., и до сих пор оно является самым распространенным металлическим материалом.

В отличие от золота, серебра и меди, которые встречаются в самородном состоянии и поэтому первыми из металлов начали использоваться человеком, железо в чистом виде почти не встречается. Оно соединяется с кислородом воздуха, превращаясь в оксид, и содержится в составе железной руды. И только когда человек научился извлекать железо в большом количестве из руды, оно получило широкое распространение. (Руда - природное минеральное образование, содержащее какой-либо металл или несколько металлов.)

Чистое железо - светлый мягкий металл. Но используется оно не в чистом виде, а только в виде сплавов, т. е. в соединении с другими химическими элементами. Одни элементы присутствуют в железной руде и прямо при выплавке железа переходят в него. Другие - вводятся в железо специально, чтобы придать ему те или иные свойства (см. Легирование). Даже небольшие примеси некоторых химических элементов меняют свойства железа: делают его прочным, твердым, помогают успешно противостоять высоким температурам и воздействию кислот.

Непременный компонент железных сплавов - углерод. Если углерода мало - 0,02-0,04%, то сплав сохраняет природные физические свойства железа - он мягкий, пластичный, легко изменяет форму под давлением. Он называется технически чистым железом. Чем больше углерода, тем металл делается более твердым и менее пластичным. Однако пока количество углерода не превышает 2%, сплав можно ковать, штамповать. Это сталь. Из нее сделано большинство тех предметов, которые мы называем железными. А если углерода от 2 до 4%, сплав называют чугуном. Он твердый и хрупкий. Его нельзя ковать (он ломается под ударами), а можно только отливать в форму. Хотя один из видов чугуна и называется ковким, он практически ковке не подвергается. Зато обладает высокой, по сравнению с другими видами чугуна, пластичностью. Отливки из ковкого чугуна широко используют в различных отраслях промышленности.

Примеси, попадающие в железо из руды, по-разному изменяют его свойства. Одни из них - кремний, марганец - полезны, поскольку увеличивают прочность и пластичность сплава. Другие - сера, фосфор, мышьяк - вредны, так как делают сплав ломким.

Производство стали в мире постоянно растет. Несмотря на то что многие металлы продолжают находить широкое применение, и в первую очередь алюминий, титан, магний и другие и сплавы на их основе, доля железа в мировом производстве металлов по-прежнему очень высока - около 95%.

Стальной прокат является главным исходным материалом в машиностроении и других отраслях промышленности, поэтому в прокат перерабатывается 80-85% всей выплавленной стали.

В дореволюционной России на душу населения производилось меньше 30 кг стали в год. А в 1984 г. количество выплавленной стали на душу населения составляло 600 кг! И производство ее будет все увеличиваться. Это один из важнейших показателей высокого промышленного развития страны.

Прямое получение железа. К середине XIX в. в черной металлургии для получения железа окончательно утвердился так называемый двойной передел: из руды - чугун, из чугуна - сталь. Огромные доменные печи, конвертеры, мартеновские печи удовлетворяли потребности промышленности. Однако именно в это время ученые-металлурги Европы и Америки начали искать способы прямого получения железа из руды, минуя доменный процесс.

Двойной передел, т. е. получение чугуна из руды в доменных печах, а из чугуна стали в мартеновских печах, - это двойной расход топлива и электроэнергии, двойное количество агрегатов, механизмов и инструментов, наконец двойное количество рабочих. Поэтому ученые и обратились к способу древних мастеров, которые прямо из руды получали железо, восстанавливая его древесным углем в маленьких горнах или в тиглях. Большое преимущество прямого получения железа помимо его высокой экономичности в том, что этот процесс позволяет избежать «засорения» железа серой и другими нежелательными элементами, содержащимися в коксе . Необходимо было возродить древний способ на новой, промышленной, высокопроизводительной основе.

Первая промышленная установка прямого получения железа заработала в 1911 г. в Швеции. Она полностью копировала древний способ: железо восстанавливалось из руды с помощью мелкоистолченного древесного угля в глиняных тиглях. Только в печь загружалось сразу 3500 тиглей. Позднее в разных странах появились и другие установки, причем все чаще восстановителем служил не уголь, а водород, обеспечивающий большую химическую чистоту металла.

В нашей стране в городе Старый Оскол (Белгородская область) вступил в эксплуатацию Оскольский электрометаллургический комбинат (ОЭМК), крупнейший в Европе. Он дает высококачественную сталь методом прямого получения. Сырьем для нее служит руда Лебединского горно-обогатительного комбината. Сначала ее измельчают на шаровых мельницах и смешивают с водой. Эта смесь - пульпа - идет по трубам за 26 км и поступает в цех окомкования. Здесь ее превращают в окатыши с содержанием железа 67%. Окатыши поступают в цех металлизации, где работают установки прямого получения железа. Каждая установка - это шахтная вертикальная печь, высотой 64 м и с внутренним диаметром 5 м. В их приемные устройства и текут непрерывным потоком окатыши. А навстречу им снизу вверх идет горящий природный газ, содержащий 90% оксида углерода, и водород, предварительно нагретый до 850-900° С. Теплота этих газов и теплота собственного горения и дают необходимую температуру для металлизации окатышей. Как и в древних горнах, здесь руда (окатыши) не расплавляется, а восстанавливается в твердом виде. К концу пути вдоль печи окатыши более чем на 90% состоят из железа. Они поступают в другие электропечи, где проходят дополнительный цикл очистки от примесей. Полученная сталь не уступает по качеству той, которую производят в вакуумных электропечах (см. Электрометаллургия). К тому же эта сталь более дешевая и ее можно получать в большом количестве.

Чугун - название сплава железа с углеродом (2,14-6,67%), являющегося сырьем для изготовления различный изделий и выплавки стали и обладающего отличными литейными свойствами. Добывается он из железной руды посредством восстановления железа и превращения его в чугун.

Свойства этого материала зависят не только от углерода, но и от других примесей: серы, фосфора, марганца и кремния. Хотя углерод - это основной компонент, влияющий на получение того или иного сорта чугуна:

1. Ковкий. Метод его получения: длительный нагрев (отжиг) отливок из белого чугуна. Маркировка такая же, как и у высокопрочного сорта. Названием сорта говорит о его пластичности, так как изделия из такого чугуна отливаются.
2. Белый. Это сорт, обладающий повышенной твердостью и прочностью. Плохо поддается резке, очень хрупок. Используется для получения ковкого чугуна или стали.
3. Серый. Сплав на основе железа с частичным или полным включением структурно-свободного графита. В зависимости от этого он может быть перлитным, феррито-перлитным и ферритным.
4. Высокопрочный. Этот сорт включает шаровидный графит и является перспективным материалом для производства ответственных деталей, позволяющим снизить толщину и вес отливаемых конструкций при одновременном увеличении их надежности. Благодаря высоким жидкотекучим свойствам, он может использоваться для производства деталей сложной формы, поддающихся всем видам упрочняющей термообработки, применяющимся для стали.

Сферы применения чугуна достаточно разнообразны. Например, серые сорта используются для изготовления различных колонн, опорных и фундаментальных плит, канализационных деталей. Высокопрочные и ковкие используются в качестве фундаментов под тяжелое оборудование, опор ж/д и автомобильных мостов и пр.

Чугуном называют железоуглеродистые сплавы (содержащие также то или иное количество примесей и легирующих элементов), затвердевающие с образованием эвтектики. Следовательно, в отличие от стали, чугун не может приобрести однофазное строение (например, аустенитное) при термической обработке. Согласно диаграмме состояния сплавов Fe—С (рис. 1), область чугуна охватывает сплавы, содержащие свыше 2,11% С. Практически же в качестве указанного граничного содержания углерода принято считать 2% С. С повышением содержания легирующих элементов эта граница, как правило, смещается в сторону меньших концентраций углерода. Так, многие высокохромистые, высококремнистые (например, ферросилиды), высокоалюминиевые сплавы железа содержат значительное количество эвтектики и условно считаются чугуном, несмотря на весьма низкое содержание углерода.

Присутствие эвтектики в структуре чугуна обусловливает его использование исключительно в качестве литейного сплава (работы по прокатке чугуна, особенно высокопрочного с шаровидным графитом, дали некоторые положительные результаты, но промышленного применения не нашли; перспективной является прокатка низкоуглеродистого низкокремнистого белого чугуна).

Чугун менее прочен и более хрупок, чем сталь, но дешевле стали и хорошо отливается в формы. Поэтому чугун широко используют для изготовления литых деталей. Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита (Fe 3 C) или графита. Цементит имеет светлый цвет, обладает большой твердостью и трудно поддается механической обработке. Графит, наоборот, темного цвета и достаточно мягок. В зависимости от того, какая форма углерода преобладает в структуре, различают два основных вида чугуна: белый и серый.

По степени эвтектичности чугун подразделяют на доэвтектический, эвтектический и заэвтектический (см. рис. 1). Неправомерно принято отождествлять степень эвтектичности чугуна со степенью «насыщенности». Последняя относится как к чугуну, так и к стали и отражает лишь отношение содержания углерода в сплаве к эвтектическому или, с учетом влияния кремния и фосфора на смещение эвтектической точки влево.

Чугун считается эвтектическим, когда углеродный эквивалент равен 4,2—4,3%.

По содержанию дополнительных компонентов чугун подразделяют на нелегированный, низколегированный, средне- и высоколегированный. Нелегированным считают чугун, содержащий до 3,5—4% Si, до 1,5—2% Мп, до 0,3% Р, до 0,2— 0,25% S и до 0,1% таких элементов, как Cr, Ni, Си. В низколегированном чугуне содержание каждого из перечисленных легирующих элементов обычно не превышает 1,0—1,5%, в среднелегированном оно может достигать 7%, а в высоколегированном превышает 7—10%. Добавки сотых и даже тысячных долей процента таких элементов, как магний, азот, бор, висмут, считаются легирующими (микролегирование, модифицирование).

По степени графитизации чугун подразделяют на белый (практически не графитизированный), отбеленный или половинчатый (частично графити-зированный) и серый (в значительной степени или полностью графитизированный). Ковким называют чугун, полученный из белого путем его графитизации в твердом состоянии при термической обработке.

Белый чугун представляет собой сплав, в котором весь или практически весь избыточный углерод, не находящийся в твердом растворе в железе, присутствует в виде цементита Fe 3 C (или специальных карбидов в легированном чугуне). В нелегированном чугуне цементит представляет собой метастабильную фазу, способную распадаться с образованием железа и графита. На рисунке выше линии метастабильных равновесий (цементитная система) PSK, ES, ECF и CD показаны сплошными, а линии стабильных равновесий (графитная система) P`S`К`, E`S`, E`C`F` и C`D` —- пунктирными (в физической химии металлов принят обратный порядок обозначения).

В неполностью графитизированном сером чугуне эвтектоидное превращение протекает не в стабильной (графитной), а в метастабильной (цементитной системе) и аустенит превращается не в феррито-графитный эвтектоид, а в феррито-цементит-ную смесь — перлит. При этом наличие перлитного цементита и даже небольшого количества вторичного цементита (выпадающего из аустенита при его охлаждении в соответствии с линией метастабильного равновесия ES на рисунке выше) не является признаком отбела серого чугуна.

В производственной практике чаще всего наблюдаются случаи, когда эвтек-тоидное превращение протекает частично в стабильной и частично в метастабильной системах. Получающийся перлито-ферритный чугун обладает свойствами, приближающимися к свойствам перлитного или ферритного серого чугуна в зависимости от процентного содержания феррита и перлита в структуре металлической основы.

При отжиге белого чугуна на ковкий графит выделяется в виде более компактных включений, в результате чего металл приобретает определенные пластические свойства (откуда и название этого вида чугуна). Как и серый чугун, ковкий чугун может быть полностью и неполностью графитизированным и подразделяется соответственно на ферритный, феррито-перлитный и перлитный. Ледебуритного или вторичного цементита в ковком чугуне не должно быть (за исключением отдельных изолированных, так называемых «остаточных» карбидов). Половинчатый ковкий чугун промышленного применения не нашел.

В конце сороковых годов был изобретен метод модифицирования чугуна магнием, церием (а в настоящее время также иттрием и рядом других элементов), при котором графитные включения приобретают шаровидную или близкую к ней форму. Такой сплав фактически является разновидностью серого чугуна, однако ввиду приобретения им ряда специфических свойств (сочетания высокой прочности и пластичности, повышенной ударной вязкости) его классифицируют отдельно под названием «высокопрочный» чугун (ВЧ) или чугун с шаровидным графитом (ЧШГ). В зависимости от использованного модификатора его также называют магниевым, либо цериевым чугуном. В зарубежной литературе его часто называют «пластичным» чугуном (ductile iron). Высокопрочный чугун так же подразделяется на перлитный, перлито-ферритный и ферритный. В промышленности используют также отбеленный чугун с шаровидным графитом.

Часто модифицирование магнием или церием приводит к практически полному отбелу чугуна. После графитизирующего отжига в металле образуются шаровидные включения графита. Такой материал фактически представляет собой разновидность ковкого чугуна. Однако ввиду ряда специфических особенностей (кратковременности отжига, обусловленной высоким содержанием кремния в металле и отсутствием инкубационного периода) его классифицируют в одной группе с высокопрочным чугуном.

Таким образом, значительно графитизированный чугун условно подразделяют на серый (СЧ), ковкий (КЧ) и высокопрочный (ВЧ), хотя в ряде случаев провести между ними границу очень трудно.

Серый, ковкий и высокопрочный чугун классифицируют по механическим свойствам. Согласно общей классификации принято следующее деление:

По специальным свойствам чугун подразделяют на износостойкий, антифрикционный, коррозионностойкий, жаростойкий, немагнитный.

По твердости чугун подразделяют на:

Мягкий чугун < HB149

Средней твердости HB149-197

Повышенной твердости HB 197-269

Твердый > HB269

По прочности чугун подразделяют на:

Обыкновенной прочности < 20 кГ/мм 2

Повышенной прочности = 20-38 кГ/мм 2

Высокой прочности > 38кГ/мм 2

В белом чугуне почти весь углерод содержится в связанном состоянии в форме цементита. Такой чугун имеет в изломе светло-серый цвет, очень тверд, почти не поддается механической обработке и поэтому не применяется для изготовления деталей, а используется для переделки в сталь и для изготовления деталей из ковкого чугуна. Такой чугун называется также передельным.

Серый чугун в изломе темно-серого цвета, мягок, хорошо обрабатывается инструментами и поэтому широко применяется в машиностроении. Температура плавления серого чугуна 1100— 1250° С. Чем больше в чугуне углерода, тем ниже температура плавления. Основное количество углерода в сером чугуне содержится в виде графита, равномерно распределенного среди зерен основного сплава.

В сером чугуне, по сравнению с белым, содержится больше кремния и меньше марганца, так как кремний способствует графитизации углерода в чугуне, а марганец, наоборот, вызывает образование связанного углерода — цементита.

Примерный состав серого чугуна: 3—3,6% углерода; 1,6—2,5% кремния; 0,5—1% марганца; 0,05—0,12% серы; 0,1—0,8% фосфора. Сера является вредной примесью в чугуне, затрудняет его сварку и понижает прочность; она повышает вязкость чугуна в расплавленном состоянии и увеличивает его литейную усадку.

Фосфор делает чугун более жидкоплавким и улучшает его свариваемость, но одновременно повышает хрупкость и твердость. Поэтому содержание серы и фосфора в чугуне не должно превышать указанных пределов.

По ГОСТ 1412—54 марка серого чугуна обозначается буквами СЧ и двумя числами, из которых первое обозначает среднюю величину временного сопротивления в кгс/мм 2 , а второе — то же, при изгибе. Выпускается, например, серый чугун марок СЧ12-28, СЧ15-32, СЧ18-36 и т. д. Наиболее прочным является чугун марки СЧ38-60. Твердость по Бринеллю для серого чугуна СЧ12-28 составляет от 143 до 229, чугуна СЧ38-60 —от 207 до 262.

Ковкий чугун по механическим свойствам занимает промежуточное положение между чугуном и сталью, отличается от серого чугуна большей вязкостью и меньшей хрупкостью. Для получения деталей из ковкого чугуна их отливают из белого чугуна, а затем подвергают термообработке, например длительному отжигу или «томлению» в песке при 800—850° С. При этом выделяется свободный углерод в форме мелких округленных частиц, располагающихся в виде обособленных скоплений (хлопьев) между кристаллами железа. При температуре выше 900—950° С углерод переходит в цементит и деталь теряет свойства ковкого чугуна. Поэтому детали после сварки приходится вновь подвергать полному циклу термообработки для получения в шве и околошовной зоне структуры ковкого чугуна.

Ковкий чугун по ГОСТ 1215—59 обозначается буквами КЧ и двумя числами: первое указывает временное сопротивление в кгс/мм 2 , а второе — относительное удлинение в процентах, например КЧ35-4.

Легированный чугун обладает особыми свойствами — кислотоупорностью, высокой прочностью при ударных нагрузках и др. Эти свойства чугун получает в результате легирования хромом, никелем.

Модифицированный чугун получают из серого чугуна, вводя в жидкий чугун специальные добавки, называемые модификаторами — силикокальций, ферросилиций, силикоалюминий и др. Количество вводимых модификаторов не превышает 0,1 — 0,5%, при этом температура жидкого чугуна должна быть не ниже 1400° С.

При модификации состав чугуна почти не изменяется, но зерна графита принимают мелкопластинчатый, слегка завихренный вид, и располагаются изолированно друг от друга. От этого структура чугуна становится однородной, плотной, повышаются его прочность, износо- и коррозиоустойчивость.

По ГОСТ 1412—54 модифицированный чугун обозначается так же, как и серый, но с добавлением буквы М, например: МСЧ2848.

Высокопрочный и сверхпрочный чугуны имеют, графит шаровой формы. Это достигается введением в жидкий чугун при 1400° С чистого магния или его сплавов с медью и ферросилицием, с последующей модификацией силикокальцием или ферросилицием. Сверхпрочный чугун имеет временное сопротивление при растяжении 50—65 кгс/мм 2 (при изгибе 80—120 кгс/мм 2) и относительное удлинение 1,5—3%.

Механические и технологические свойства: чугун является своеобразным композитным материалом, механические и эксплуатационные свойства которого зависят от характеристик металлической основы (прочность, пластичность, твердость и др.), а также формы, размеров, количества и распределения графитовых включений. При этом решающее значение в ряде случаев имеет либо графит, либо металлическая основа. Например, модуль упругости чугуна в решающей степени зависит от формы и величины графитовых включений, а твердость в основном определяется свойствами металлической основы. Такие свойства, как временное сопротивление разрыву, ударная вязкость, длительная прочность, зависят как от свойств металлической основы, так и от формы или размеров и количества графитовых включений.

Получение той или иной структуры чугуна в отливках зависит от многих факторов: химического состава чугуна, вида шихтовых материалов, технологии плавки и внепечной обработки металла, скорости кристаллизации и охлаждения расплава в форме, а следовательно, толщины стенки отливки, теплофизических свойств материала формы и др. Структуру металлической основы чугуна можно изменять также термической обработкой отливок, общие закономерности влияния которой аналогичны возникающим при термической обработке углеродистой стали, а особенности связаны с сопутствующими изменениями металлической основы процессами графитизации.

Среди элементов химического состава С и Si определяют формирование структуры чугуна, а при заданной технологии литья приведенный размер стенки отливки R np характеризует скорость ее охлаждения — отношение площади сечения стенки к периметру).

Наряду с Si большое значение как графитизирующий элемент имеет Аl, который иногда частично или полностью заменяет Si. Это улучшает свойства чугуна, особенно пластичность. Наиболее благоприятное сочетание характеристик прочности, вязкости и пластичности достигается в алюминиевых чугунах при содержании в них Si < 1,0 %.

По влиянию небольших добавок других элементов на структуру чугуна и, следовательно, свойства добавки можно разбить на три группы.

Первая группа элементов (Ni, Со, Си) аналогично Si оказывает графитизирующее влияние, способствует раз мельчению выделений графита. Одновременно эти элементы стимулируют получение более дисперсных перлитных игольчатых и. мартенситных структур даже при сравнительно медленном охлаждении.

Вторая группа элементов (Сг, Мо, W, V и др.) в противоположность первой препятствует графитизации с интенсивностью, пропорциональной концентрации. При содержании, превышающем предел растворимости их в цементите или феррите, они образуют специальные карбиды.

К третьей группе элементов можно отнести Ti, Zr, Се, Са, Mg, В и др. Эти элементы характеризуются высокой химической активностью, почти целиком расходуются на образование тугоплавких карбидов, сульфидов, оксидов, нитридов, которые могут служить зародышами в процессе последующей кристаллизации и повышать дисперсность металлической основы. Более того, элементы этой группы Mg, Са, Се и др. редкоземельные металлы (РЗМ) входят в состав лигатур для модифицирования чугуна с целью получения графита вермикулярной или шаровидной формы.

Магнитные свойства чугунов. В соответствии с требованиями, предъявляемыми к деталям, чугун может применяться в качестве ферромагнитного (магнитно-мягкого) или паромагнитного материала.

Магнитные свойства в большей степени, чем какие-либо другие, зависят от структуры металла, что определяет разделение магнитных свойств на первичные и вторичные. К первичным относятся индукция, насыщение (4лl), проницаемость в сильных полях и температура магнитного превращения. Эти свойства зависят от количества и состава ферромагнитных фаз и не зависят от их формы и распределения. К вторичным свойствам относятся гистерезисные характеристики: индукция, насыщение и проницаемость в слабых и средних полях, коэрцитивная сила, остаточный магнетизм. Вторичные свойства мало зависят от состава фаз и определяются главным образом формой и распределением структурных составляющих.

Основными ферромагнитными составляющими чугуна являются феррит и цементит, характеризующиеся следующими данными.

Цементит является более жесткой магнитной составляющей, поэтому в качестве магнитно-мягкого материала всегда применяется серый, а не белый чугун. Графитизация приводит к резкому понижению Н с и интенсивному повышению U mах, в особенности при распаде последних остатков карбидов. При этом влияние графита, как и других немагнитных фаз, зависит также от формы и величины включений. Наиболее благоприятной в этом отношении является глобулярная форма. Поэтому ковкий и высокопрочный чугун характеризуются большей индукцией и магнитной проницаемостью и меньшей коэрцитивной силой, чем серый чугун при той же матрице.

Таким же образом влияет укрупнение эвтектического и ферритного зерна и уменьшение количества перлита. Поэтому отпуск после закалки способствует улучшению магнитно-мягких свойств.

Немагнитные (парамагнитные) чугуны применяются в тех случаях, когда требуется свести к минимуму потери мощности (крышки масляных выключателей, концевые коробки трансформаторов, нажимные кольца на электромашинах и т. д.) или когда необходимо минимальное искажение магнитного поля (стойки для магнитов и т. п.). В первом случае, наряду с низкой магнитной проницаемостью, требуется высокое электрическое сопротивление; этому требованию чугун удовлетворяет даже в большей степени, чем цветные сплавы. Во втором случае необходима особо низкая магнитная проницаемость. Поэтому в ряде случаев и не удается заменить цветные сплавы аустенитными чугунами для второй группы отливок.

В зависимости от состава различают аустенитные немагнитные чугуны:

Никелевые типа нирезист с тем или иным количеством хрома;

Никельмарганцевые типа номаг с тем или иным содержанием меди и алюминия, превосходящие чугуны первой

Группы по немагнитности, но уступающие им по жаропрочности, жаростойкости и сопротивлению коррозии;

Марганцевые с тем или иным содержанием меди и алюминия, являющиеся наиболее дешевыми, но обладающие более низкими прочностными и физическими свойствами.

Представляют интерес также ферритные высоколегированные алюминиевые чугуны, характеризующиеся особенно низкой магнитной проницаемостью.

Влияние вида чугуна на его плотность: наибольшей плотностью характеризуются белые чугуны, не содержащие свободных графитовых включений, и некоторые легированные чугуны (хромовые, никелевые, хромоникелевые). У серых чугунов плотность обычно тем больше, чем выше прочность чугуна.

Высокопрочный чугун при прочих равных условиях (одинаковом содержании кремния, перлита и графита) характеризуется большей плотностью, чем чугун с пластинчатым графитом. Однако во многих случаях эта плотность может оказаться на практике ниже, чем у серых чугунов, вследствие более высокого содержания углерода и кремния или большей ферритизации матрицы.

Большей плотностью также характеризуются аустенитные чугуны, вследствие более плотного строения, особенно при легировании никелем и медью, плотность которых больше, чем у железа.

При легировании марганцем плотность аустенита несколько понижается. Еще меньше плотность ферритных кремнистых и алюминиевых чугунов.