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

Содержание

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.

Углеродистый чугун | Учебные материалы

Чугун — это сплав железа с углеродом, в котором содержание углерода больше 2,14 %.

Кроме углерода и железа, в сплаве присутствуют примеси: кремний, марганец, фосфор, сера и др. Эти примеси оказывают существенное влияние на формирование структуры сплава, а следовательно, и на механические, физические и другие свойства чугуна.

В зависимости от того, в какой форме присутствует углерод в сплавах, различают белые, серые, ковкие и высокопрочные чугуны. По химическому составу чугун делится на углеродистый и легированный.

Белыми называют чугуны в которых углерод находится преимущественно в связанном состоянии в виде цементита Fe3С (очень небольшое количество углерода находится в составе твердого раствора). Эти чугуны, фазовые превращения которых протекают согласно диаграмме Fe-С, подразделяются на доэвтектические, эвтектический и заэвтектические. Из-за большого количества цементита белые чугуны имеют высокую твердость 450…550 НВ, хрупкие и практически не поддаются обработке резанием, поэтому в качестве конструкционных материалов практически не применяются. Их можно применять для деталей, от которых требуется высокая износостойкость поверхности. Например, изготавливают шары шаровой мельницы для размола руды и минералов.

Белые чугуны являются передельными и из них получают сталь и ковкий чугун.

Серыми называют чугуны, в которых углерод находится преимущественно в свободном состоянии в виде пластинок графита. Графит образуется при очень малой скорости охлаждения, когда степень переохлаждения жидкой фазы невелика. Он растет из одного центра и, разветвляясь в разные стороны, приобретает форму сильно искривленных лепестков. В плоскости шлифа графит имеет вид прямолинейных или завихренных пластинок, которые представляют собой сечения графитных лепестков. В изломе эти чугуны имеют серый цвет. Механические свойства чугуна обусловлены его структурой, главным образом графитной составляющей, его количеством, формой и размерами включений.

Графит имеет низкую прочность, и его можно рассматривать как внутренние надрезы, нарушения сплошности металлической основы. С увеличением содержания углерода больше выделений графита и меньше механическая прочность чугуна. Серый чугун плохо сопротивляется растяжению, хрупкий, но обладает хорошей жидкотекучестью, малой усадкой при кристаллизации, легко обрабатывается резанием, хорошими антифрикционными свойствами (графит выполняет роль смазки), поглощает вибрацию, малочувствителен к концентраторам напряжений (надрезам, выточкам).

Удельный вес серого чугуна колеблется в пределах 6,6…7,4 г/см3 и зависит от количества углерода, степени графитизации и количественного соотношения структурных составляющих.

Теплоемкость серого чугуна также зависит от вышеперечисленных факторов и в интервале температур 0…700 0С равна 16 кал/(г∙0С). Теплопроводность равна 0,16 кал/(см∙с∙0С). Средний коэффициент линейного термического расширения в интервале температур 0…100

0С можно принять (10…11)∙106 см/(см∙0С), а в интервале температур 100…700 0С он равен 14∙106 см/(см∙0С).

Основными элементами в чугунах являются Fe-C-Si и постоянными примесями — Мn, Р, S. Кремний обладает сильным графитизирующим действием, марганец затрудняет графитизацию. Сера является вредной примесью, ухудшает литейные и механические свойства чугунов.

Фосфор является в чугунах полезной примесью, так как улучшает жидкотекучесть. Участки фосфидной эвтектики увеличивают твердость и износостойкость чугуна. Чаще всего содержание фосфора находится в пределах 0,2…0,5 %. Для отливок, от которых требуется высокая износостойкость, содержание фосфора допускается 0,7 %, а для художественного литья — до 1 %.

Наглядное представление о влиянии углерода и кремния на степень графитизации чугуна и его структуру дает структурная диаграмма (толщина стенки отливки 50 мм), приведенная на рисунок 37.

I- белый чугун; II- половинчатый чугун; III- серый чугун на перлитной основе; IV- серый чугун на ферритно-перлитной основе; V- серый чугун на ферритной основе

Рисунок 37 — Структурная диаграмма

Серый чугун маркируется буквами СЧ, после которых ставится число, показывающее гарантируемый предел прочности на растяжение в кгс/мм2

(10-1 МПа).

Ферритные чугуны марок СЧ10, СЧ15, СЧ18 применяются для малоответственных деталей, испытывающих небольшие нагрузки. Например, фундаментные плиты, крышки, фланцы, рамы двигателей, компрессоров, шиберы и заслонки печей, корпусы фильтров и масленок, маховики, корпуса редукторов, насосов, тормозные барабаны, диски сцепления и др. Структура серых чугунов приведена на рисунок 38.

Феррито-перлитные чугуны марок СЧ20, СЧ21, СЧ25 применяются для деталей, работающих при повышенных статических и динамических нагрузках. Например, головки цилиндров, поршни, втулки для поршневых колец паровых цилиндров, колеса центробежных насосов, станины станков, зубчатые колеса, диафрагмы, цилиндры низкого давления и выхлопные патрубки турбин.

а- на ферритной основе; б- на ферритно -перлитной основе;

в- на перлитной основе

Рисунок 38 — Структура серых чугунов

Перлитные чугуны марок СЧ30, СЧ35, СЧ40, СЧ45 применяют для деталей, работающих при высоких нагрузках или в тяжелых условиях износа: зубчатые колеса, гильзы блоков цилиндров, распределительные валы и др. Мелкие разобщенные графитовые включения меньше снижают прочность чугунов. Измельчение графитовых включений достигается путем модифицирования жидкого чугуна ферросилицием, алюминием или феррокальцием (0,3…0,6 % от массы шихты). Отливки из серого чугуна подвергают термической обработке: для снятия внутренних напряжений — отжиг I рода (560 0С), нормализацию или закалку с отпуском для повышения механических свойств и износостойкости. Для повышения износостойкости гильз цилиндров, распределительных валов и других изделий перлитные чугуны подвергают азотированию.

Ковкими называют чугуны, в которых углерод находится в свободном состоянии в форме хлопьев. Такая форма графита и является основной причиной высоких прочностных и пластических характеристик ковкого чугуна. Термин ”ковкий чугун” является условным, поскольку изделия из него, так же как и из любого другого чугуна, изготавливают не ковкой, а путем литья, и указывает на повышенную пластичность по сравнению с серым чугуном. Состав ковкого чугуна выдерживается в довольно узких пределах: 2,4…2,9 % С; 1,0…1,6 % Si; 0,2…1,0 % Мn; до 0,18 % Р и до 0,2 % S.

Невысокое содержание углерода в ковком чугуне необходимо по двум причинам. Во-первых, для получения высоких прочностных характеристик следует уменьшить количество графитовых включений. Во-вторых, необходимо избегать выделения пластинчатого графита при охлаждении отливок в форме (с этой же целью толщина стенки отливки не должна превышать 50 мм).

Ковкий чугун получают из белого путем отжига, который продолжается иногда до 5 суток. По структуре металлической основы (рисунок 39), которая определяется режимом отжига, ковкие чугуны бывают ферритными и перлитными.

Отжиг на ферритные чугуны проводится по режиму 1 (рисунок 40), обеспечивающему графитизацию всех видов цемента белого чугуна.

а – ферритного; б – перлитного

Рисунок 39 – Микроструктура ковких чугунов

Рисунок 40 – Схема отжига белого чугуна на ковкий

Отливки из белого чугуна загружают в металлические ящики и засыпают песком или стальными стружками для защиты от окисления и медленно нагревают до температуры 950…1000 0С. В процессе продолжительной (10…15 ч) выдержки при такой температуре происходит первая стадия графитизации. Она состоит в распаде эвтектического и избыточного вторичного цементита.

К концу первой стадии чугун состоит из аустенита и включений углерода отжига (А + Г). Затем температуру медленно снижают до 720…740 0С. При этом происходит вторая стадия графитизации.

В процессе выдержки (25…30 ч) распадается цементит перлита:

П(Ф + Ц) -> Ф + Г

и образуется ковкий чугун на ферритной основе.

Перлитный чугун получают отжигом, который проводят в окислительной среде по режиму 2 (см. рис. 40). В этом случае увеличивают продолжительность первой стадии графитизации, после которой проводят непрерывное охлаждение отливок до 20 0С. Аустенит превращается в перлит (А -> П), а графит сохраняется в структуре. Получается ковкий чугун на перлитной основе.

Ковкие чугуны маркируются буквами КЧ, после которых ставятся числа, показывающие гарантируемые предел прочности на растяжение в кгс/мм2

(10-1 МПа) и относительное удлинение в процентах. Марки ковкого чугуна:

  • КЧ-30-6; КЧ 35-10; КЧ 37-12 — ферритные;
  • КЧ 45-7; КЧ 60-3; КЧ 80-1,5 — перлитные.

Из этих чугунов изготавливают детали высокой прочности, работающие в тяжелых условиях износа, способные воспринимать ударные и знакопеременные нагрузки. Большая плотность отливок ковкого чугуна позволяет изготовлять детали водо- и газопроводных установок, корпуса вентилей, кранов, задвижек.

Высокопрочными называют чугуны, в которых углерод находится в свободном состоянии в виде шаровидного графита. Их получают модифицированием магнием, который вводят в жидкий чугун в количестве 0,02…0,08 %. Ввиду того, что модифицирование чистым магнием сопровождается значительным пироэффектом, применяют сплав магния с никелем.

Чугун после модифицирования имеет следующий химический состав: 3,0…3,6 % С; 1,1…1,9 % Si;. 0,3…0,7 % Мn;. до 0,02 % S и до 0,1 % P. По структуре металлической основы чугун может быть ферритным или перлитным (рисунок 41).

а- ферритного; б- перлитного

Рисунок 41 — Микроструктура высокопрочных чугунов

Шаровидный графит — менее сильный концентратор напряжений, чем пластинчатый или хлопьевидный графит, и поэтому меньше снижает механические свойства металлической основы. Чугуны обладают высокой прочностью и некоторой пластичностью, сохраняют свою прочность до 500 0С (обычный чугун до 400 0С). Они маркируются буквами ВЧ, после которых ставится число, показывающее гарантируемый предел прочности на растяжение в кгс/мм2 (10-1 МПа). Марки высокопрочного чугуна:

  • ВЧ 38; ВЧ 42; ВЧ 50 — ферритные;
  • ВЧ 60, ВЧ 80; ВЧ 120 — перлитные.

Высокопрочные чугуны применяют в различных отраслях техники, эффективно заменяя сталь во многих изделиях и конструкциях. Например, корпуса паровых турбин, насосов, вентилей, лопатки направляющего аппарата, коленчатые валы, поршни и другие ответственные детали, работающие при высоких циклических нагрузках и в условиях изнашивания.

В некоторых случаях для улучшения механических свойств применяют термическую обработку отливок; для повышения прочности — закалку и отпуск при 500…600 0С; для увеличения пластичности — отжиг.

Недостатком высокопрочного чугуна является значительная объемная усадка, что приводит к появлению в отливках усадочной пористости, газовых раковин.

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.

Оцените статью: Поделитесь с друзьями!

Чугун состав сплава в процентах

На чтение 19 мин Просмотров 20 Опубликовано

Феррит (твёрдый раствор внедрения C в α-железе с объемно-центрированной кубической решеткой)
Аустенит (твёрдый раствор внедрения C в γ-железе с гранецентрированной кубической решеткой)
Цементит (карбид железа; Fe3C метастабильная высокоуглеродистая фаза)
Графит стабильная высокоуглеродистая фаза

Ледебурит (эвтектическая смесь кристаллов цементита и аустенита, превращающегося при охлаждении в перлит)
Мартенсит (сильно пересыщенный твёрдый раствор углерода в α-железе с объемно-центрированной тетрагональной решеткой)
Перлит (эвтектоидная смесь, состоящая из тонких чередующихся пластинок феррита и цементита)
Сорбит (дисперсный перлит)
Троостит (высокодисперсный перлит)
Бейнит (устар: игольчатый троостит) — ультрадисперсная смесь кристаллов низкоуглеродистого мартенсита и карбидов железа

Белый чугун (хрупкий, содержит ледебурит и не содержит графит)
Серый чугун (графит в форме пластин)
Ковкий чугун (графит в хлопьях)
Высокопрочный чугун (графит в форме сфероидов)
Половинчатый чугун (содержит и графит, и ледебурит)

Чугу́н — сплав железа с углеродом (и другими элементами), в котором содержание углерода не менее 2,14 % (точка предельной растворимости углерода в аустените на диаграмме состояний), а сплавы с содержанием углерода менее 2,14 % называются сталью. Углерод придаёт сплавам железа твёрдость, снижая пластичность и вязкость. Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита и графита. В зависимости от формы графита и количества цементита, выделяют белый, серый, ковкий и высокопрочный чугуны. Чугуны содержат постоянные примеси (Si, Mn, S, P), а в некоторых случаях также легирующие элементы (Cr, Ni, V, Al и другие). Как правило, чугун хрупок.

Выплавляется чугун, как правило, в доменных печах. Температура плавления чугуна — от 1150 до 1200 °C, то есть примерно на 300 °C ниже, чем у чистого железа.

Содержание

Этимология [ править | править код ]

В русском языке слово чугун имеет тюркское происхождение, в тюркских же языках термин, вероятно, от кит. трад. 鑄 , пиньинь: zhù, палл.: чжу, буквально: «лить; отливать (металл)» и кит. трад. 工 , пиньинь: gōng, палл.: гун, буквально: «дело» [1] . Это связано с тем, что чугун представлял собой железный сплав низкой плавки. В финском языке чугун обозначается словом Valurauta, которое имеет два корня и переводится как литое железо (rauta).

История [ править | править код ]

Технологию литья чугуна освоили в Китае, откуда этот термин (через татаро-монгольское посредничество) попал в Россию [1] . В X веке в Китае появляются чугунные монеты, однако в широком применении вплоть до XIX века оставались бронзовые монеты [2] . В XI веке был возведен чугунный шпиль пагоды Линсяо. XIV веком датируют находки чугунных котлов Золотой Орды (Тульская область) [3] , однако на территории Монголии (Каракорум) монголы умели изготовлять чугунные котлы ещё в XIII веке [4] .

В 1339 году (в годы Столетней войны) при обороне французского города Камбре уже использовались чугунные пушки наряду с бронзовыми. В 1403 году в Китае (Пекин) был отлит чугунный колокол [5] . C 1411 года англичане начинают вооружать чугунными пушками свои корабли [6] . В том же XV веке во Фландрии начинают лить чугунные ядра, которые вытесняют каменные [7] . В XVI веке в России (при Иване Грозном) из чугуна начали изготавливаться пушки [8] . Ввиду отсутствия у чугуна такого свойства как ковкость, его широкое производство стало возможным благодаря внедрению технологии доменной печи. Чугунные пушки появились у маньчжуров лишь в 1631 году [9] , а в Китае они были известны со времени династии Мин [10] , которая потеряла власть в 1644 г.

В 1701 году Каменский чугунолитейный завод на Урале (Россия) производит первую партию чугуна (262 кг). На Урале чугунное литье превратилось в народный промысел (Каслинское литьё). В XVIII веке в Англии появился первый чугунный мост (в России чугунный мост появился лишь в начале XIX века). Это стало возможным благодаря технологии Вилкинсона. В том же веке из чугуна начали изготавливать рельсы [11] (Чугунный колесопровод). Помимо промышленного использования чугун продолжал использоваться и в быту. В XVIII веке появились чугунки, которые широко стали использоваться в русской печи [12] .

К концу XVIII века Россия занимала первое место по производству чугуна и выдавала 9 908 тыс. пудов чугуна, в то время как Англия — 9516 тыс. пудов, дальше шли Франция, Швеция, США. [13]

В 1806 году Великобритания выплавляла 250 тыс. тонн чугуна, занимая 1-е место в мире по его производству, а к середине XIX века в Великобритании была сосредоточена половина мирового чугунного производства. Однако в 1890 году 1-е место по производству чугуна заняли США [14] . Технология бессмеровского процесса (1856) и мартеновской печи (1864) впервые позволила получать сталь из чугуна. В XIX веке чугун широко используется для изготовления викторианских каминов [15] , а также декоративных элементов (например, чугунная решетка памятника Александра II, 1890). Благодаря изготовлению малой скульптуры и ажурных изделий из чугуна широкую известность получили Кусинский и Каслинский заводы. Развитие способов формовки для литья сложных художественных отливок на заводе в посёлке Касли привело к созданию способа изготовления стержневых форм, который применяют и в настоящее время, особенно в станкостроении. [16] Также в XIX веке из чугуна изготавливались водопроводные и канализационные 12-дюймовые трубы Лондона [17] . Однако с появлением нарезного оружия (Пушка Армстронга, 1854) сталь вновь начинает вытеснять чугун.

Чугун
Фазы железоуглеродистых сплавов
Структуры железоуглеродистых сплавов
Чугун литейный
Л1Л2Л3Л4Л5
Л6ЛР1ЛР2ЛР3ЛР4
ЛР5ЛР6ЛР7
Чугун передельный
П1П2ПВК1ПВК2ПВК3
ПЛ1ПЛ2ПФ1ПФ2ПФ3
Чугун низколегированный
ЧН2ХЧН3ХМДШЧНМШЧНХМДЧНХМДШ
ЧНХТЧС5ЧС5ШЧХ1ЧХ2
ЧХ3ЧХ3ТЧЮХШ
Чугун высоколегированный
ЧГ6С3ШЧГ7Х4ЧГ8Д3ЧН11Г7ШЧН15Д3Ш
ЧН15Д7ЧН19Х3ШЧН20Д2ШЧН4Х2ЧС13
ЧС15ЧС15М4ЧС17ЧС17М3ЧХ16
ЧХ16М2ЧХ22ЧХ22СЧХ28ЧХ28Д2
ЧХ28ПЧХ32ЧХ9Н5ЧЮ22ШЧЮ30
ЧЮ6С5ЧЮ7Х2
Чугун с вермикулярным графитом для отливок
ЧВГ30ЧВГ35ЧВГ40ЧВГ45

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 (Fe3C) 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 Fe3C (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 HB269

По прочности чугун подразделяют на:

Обыкновенной прочности 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 Rnp 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 ε

– относительная осадка при появлении первой трещины, %σ0,05– предел упругости, МПа Jк– предел прочности при кручении, максимальное касательное напряжение, МПаσ0,2– предел текучести условный, МПаσизг– предел прочности при изгибе, МПаδ5,δ4,δ10– относительное удлинение после разрыва, %σ-1– предел выносливости при испытании на изгиб с симметричным циклом нагружения, МПаσсж0,05 и σсж– предел текучести при сжатии, МПа J-1– предел выносливости при испытание на кручение с симметричным циклом нагружения, МПаν– относительный сдвиг, % n– количество циклов нагружения s в– предел кратковременной прочности, МПаR и ρ– удельное электросопротивление, Ом·мψ– относительное сужение, %E– модуль упругости нормальный, ГПаKCU и KCV– ударная вязкость, определенная на образце с концентраторами соответственно вида U и V, Дж/см 2 T– температура, при которой получены свойства, Град s T– предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации), МПа l и λ– коэффициент теплопроводности (теплоемкость материала), Вт/(м·°С)HB– твердость по БринеллюC– удельная теплоемкость материала (диапазон 20 o – T ), [Дж/(кг·град)]HV– твердость по Виккерсу pn и r– плотность кг/м 3HRCэ– твердость по Роквеллу, шкала Са– коэффициент температурного (линейного) расширения (диапазон 20 o – T ), 1/°СHRB– твердость по Роквеллу, шкала Вσ t Т– предел длительной прочности, МПаHSD– твердость по ШоруG– модуль упругости при сдвиге кручением, ГПа

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Чугун – сплав железа с углеродом ( содержанием более 2, 14% ).
Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита и графита.
В зависимости от формы графита и количества цементита, выделяют : бледный, бесцветный, ковкий и высокопрочные чугуны.
Чугуны держат постоянные примеси ( Si, Mn, S, P ), а в отдельных событиях также легирующие элементы ( Cr, Ni, V, Al и др. ).

Чугу́н — сплав железа с углеродом с содержанием более 2, 14 % ( точка предельной растворимости углерода в аустените на диаграмме состояний ).
Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита и графита.
В зависимости от формы графита и количества цементита, выделяют : бледный, бесцветный, ковкий и высокопрочные чугуны.
Чугуны держат постоянные примеси ( Si, Mn, S, P ), а в отдельных событиях также легирующие элементы ( Cr, Ni, V, Al и др. ).
Обыкновенно, чугун хрупок.

Ковкий чугун получают длительным отжигом белого чугуна, в итоге которого образуется графит хлопьевидной формы.
Металлическая основа такого чугуна : феррит и реже перлит.
Ковкий чугун получил свое название из – за повышенной пластичности и вязкости ( при всем при том, что обработке давлением не подвергается ).
Ковкий чугун обладает повышенной крепостью при растяжении и рослым сопротивлением удару.
Из ковкого чугуна изготовляют детали непростой фигуры : картеры заднего моста машин, тормозные колодки, тройники, угольники и т. д.

Включая небольшое сопротивление отливок из серого чугуна растягивающим и ударным нагрузкам, следует использовать сей материал для подробностей, которые подвергаются сжимающим или изгибающим нагрузкам.
В станкостроении это – базовые, корпусные детали, кронштейны, зубчатые колеса, ведущие ;
в автостроении – блоки цилиндров, поршневые кольца, распределительные валы, диски сцепления.
Отливки из серого чугуна также используются в электромашиностроении, для изготовления товаров народного потребления.

Углерод в чугуне может находиться в виде цементита, графита или в то же самое время в виде цементита и графита.
Возникновение постоянной фазы – графита в чугуне может происходить в итоге прямого выделения его из слабого ( твердого ) раствора или вследствие распада предварительно образовавшегося цементита ( при замедленном охлаждении расплавленного чугуна цементит может подвергнуться разложению РезС – > Fe + ЗС с образованием феррита и графита ).
Процесс формирования в чугуне ( стали ) графита называют графитизацией.

По содержанию углерода чугуны подразделяются на доэвтектический – 2, 14 .
4, 3 % С, эвтектический – 4, 3 % С и заэвтектический – 4, 3 .
6, 67 % С углерода.
Доэвтектические чугуны, включающие 2, 14 .
4, 3 % С, после окончательного охлаждения имеют структуру перлита, ледебурита ( перлит + цементит ) и вторичного цементита.
Эвтектический чугун ( 4, 3% С ) при температуре ниже + 727 °С состоит только из ледебурита ( перлит + цементит ).
Заэвтектический, который нельзя отменить 4, 3 .
6, 67 % С, при температуре ниже + 727 °С состоят из первичного цементита и ледебурита ( перлит + цементит ).
На практике наибольшее распространение получили доэвтектические чугуны, включающие 2, 4 .
3, 8% С углерода.
Тельное значение содержания углерода в чугуне определяется его технологическими характеристиками при литье – обеспечение хорошей жидкотекучести.
Жидкотекучесть – это способность металлов и сплавов в расплавленном состоянии заполнять полость формы, точно воспроизводить очертания и размеры отливки.
Увеличенное содержание углерода в чугуне выше 3, 8% С приводит к резкому возрастанию твердости и хрупкости.
Жидкотекучесть определяется по спиральной пробе, а ее величина по длине заполнения части спирали.
Усадка – уменьшение линейных и обьемных размеров металла, затопленного в фигуру при его кристаллизации и охлаждении.

В промышленности разновидности чугуна маркируются следующим типом : передельный чугун — П1, П2 ;
передельный чугун для отливок ( передельно – литейный ) — ПЛ1, ПЛ2, передельный фосфористый чугун — ПФ1, ПФ2, ПФ3, передельный высококачественный чугун — ПВК1, ПВК2, ПВК3 ;
чугун с пластинчатым графитом — СЧ ( цифры после букв « СЧ », значат 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.

ГОСТ 7769

Марка чугуна

Эксплуатационное свойство чугунов

Применение

ЧХ1

Повышенная коррозионная стойкость в газовой, воздушной, щелочной средах в условиях трения и износа. Жаростойкий в воздушной среде до 773 К

Холодильные плиты доменных печей, колосники агломерационных машин, детали коксохимического оборудования, сероуглеродные реторты, детали газотурбинных двигателей и компрессоров, горелки, кокили, стеклоформы, выхлопные коллекторы дизелей

ЧХ2

Повышенная коррозионная стойкость в газовой, воздушной, щелочной средах в условиях трения и износа. Жаростойкий в воздушной среде до 873 К

Колосники и балки горна агломерационных машин, детали контактных аппаратов химического оборудования, решетки трубчатых печей нефтеперерабатывающих заводов, детали турбокомпрессоров, детали стекломашин. Детали термических печей, электролизеров, колосники, детали стекломашин, облицовочные плиты тушильных вагонов

ЧХ3

Повышенная коррозионная стойкость в газовой, воздушной, щелочной средах в условиях трения и износа. Жаростойкий в воздушной среде до 973 К.

ЧХ3Т

Повышенная стойкость против абразивного износа и истирания в пульпо- и пылепроводах, насосах

Износостойкие детали гидромашин, перекачивающие абразивные смеси, футеровки пылепроводов и др.

ЧХ9Н5

Высокая стойкость против абразивного износа и истирания в мельницах, пескометах и дробеметах

Износостойкие детали гидромашин, перекачивающие абразивные смеси футеровки пылепроводов и др., мелющие детали угле- и рудоразмольных мельниц, ковши пескометов, склизы, течки и т.д.

ЧХ16М2

Наибольшая устойчивость против ударно-абразивного износа и истирания в мельницах, дробеметных и дробеструйных камерах

Износостойкие детали гидромашин, перекачивающие абразивные смеси, футеровки пылепроводов и др., мелющие детали угле- и рудоразмольных мельниц, ковши пескометов, склизы, течки, высокоустойчивые лопатки дробеметных импеллеров

ЧХ16

Жаростойкий в воздушной среде до 1173 К, износостойкий при нормальной и повышенной температурах, устойчивый против воздействия неорганических кислот большой концентрации

Арматура химического машиностроения, печная арматура, детали цементных печей

ЧХ22, ЧХ28Д2

Высокоустойчивый против абразивного износа и истирания в условиях размольного оборудования, грохотов и склизов, агломашин и песко- и дробеструйных камер при повышенных температурах

Износостойкие детали гидромашин, перекачивающих абразивные смеси, футеровки пылепроводов и др., мелющие детали угле- и рудоразмольных мельниц, ковши пескометов, склизы, течки, высокоустойчивые лопатки дробеметных импеллеров, вставки для армирования брусьев вторичной зоны охлаждения установок непрерывной разливки стали, футеровки мельниц и т.д.

ЧХ22С

Повышенная коррозионная стойкость в запыленных газовых средах при температуре до 1273 К, высокая кислотостойкость и сопротивление межкристаллитной коррозии

Детали, не подвергающиеся действию постоянных и переменных нагрузок. Детали аппаратуры для концентрированной азотной и фосфорной кислот, печная арматура и т.д.

ЧХ28, ЧХ32

Высокая коррозионная стойкость в растворах кислот (азотной, серной, фосфорной, соляной, уксусной, молочной и т.д.), щелочей и солей (азотнокислом аммонии, сульфате аммония, хлорной извести, хлорном железе, селитре), в газах, содержащих серу или SO, НО. Жаростойкость до температур 1373-1423 К. Высокое сопротивление абразивному износу

Детали, работающие при небольших механических нагрузках в среде SO и SО в щелочах высокой концентрации, азотной кислоте, растворах и расплавах солей при температуре до 1273 К. Детали центробежных насосов, печная арматура, реторты для цементации, сопла горелок, цилиндры, корпуса золотников, гребки печей обжига колчедана и т.д.

Сопла для пескоструйных аппаратов и другие детали, подверженные абразивному истиранию. Детали пищевой аппаратуры, проводковая арматура мелкосортных станов

ЧХ28П

Высокая стойкость после окислительного отжига в цинковых расплавах при температуре до 823 К

Сопряженные детали пар трения, работающие в цинковом расплаве агрегатов горячего непрерывного цинкования

ЧС5

Жаростойкие в топочных газах и воздушной среде до 973 К

Колосники, бронеплиты для печей обжига цементной промышленности, сероуглеродные реторты

ЧС5Ш

Жаростойкие в топочных газах и воздушной среде до 1073 К

Топочная арматура котлов, дистанционирующие детали пароперегревателей котлов, газовые сопла, подовые плиты термических печей

ЧС13
ЧС15
ЧС17

Высокая коррозионная стойкость при температуре до 473 К, к воздействию концентрированных и разбавленных кислот, растворов щелочей, солей, кроме фтористоводородных и фтористых соединений. Не допускают резко переменных, а также ударных нагрузок и перепада температур

Простые конфигурации, детали центробежных и поршневых насосов, компрессоров и трубопроводной арматуры, трубы и фасонные детали для трубопроводной арматуры, теплообменников и другие детали химической аппаратуры

ЧС15М4
ЧС17М3

Особо высокая коррозионная стойкость в серной, азотной, соляной кислотах разной концентрации и температуры, водных растворах щелочей и солей при местном перепаде температур до 30 К в теле детали при отсутствии динамических, а также переменных и пульсирующих нагрузок

Простые конфигурации, детали центробежных и поршневых насосов, компрессоров и трубопроводной арматуры, трубы и фасонные детали для трубопроводной арматуры, теплообменников и другие детали химической аппаратуры

ЧЮХШ

Жаростойкий в воздушной среде до 923 К, стойкий против истирания

Пресс-формы для стекольных изделий, детали печного оборудования, ролики чистовых клетей листопрокатных станов

ЧЮ7Х2

Жаростойкий в воздушной среде до 1023 К, стойкий против истирания

Детали печной арматуры

ЧЮ6С5

Жаростойкий в воздушной среде до 1073 К, коррозионно-стойкий в среде, содержащей соединения серы, стойкий к резким сменам температуры

Отливки, работающие при температурах до 1073 К

ЧЮ22Ш

Жаростойкий в среде, содержащей серу, сернистый газ и окислы ванадия и пары воды. В воздушной среде жаростойкий до 1373 К. Высокая прочность при нормальной и повышенной температурах

Детали арматуры котлов, дистанционирующие детали пароперегревателей котлов, детали обжиговых колчеданных печей, нагревательных кольцевых печей, колосники агломерационных машин

ЧЮ30

Жаростойкий в воздушной среде до 1373 К. Стойкий против износа

Детали печей обжига колчедана

ЧГ6С3Ш, ЧГ7Х4

Износостойкий в абразивной среде и против истирания в пыле- и пульпопроводах, мельницах и т.д.

Износостойкие детали мелющего оборудования, детали насосов, футеровки мельниц, дробе- и пескоструйных камер

ЧГ8Д3

Немагнитный, износостойкий чугун для эксплуатации в условиях повышенных температур

Немагнитные детали, сопряженные трущиеся детали арматуры

ЧНХТ

Высокие механические свойства, сопротивление износу и коррозии в слабощелочных и газовых средах (продукты сгорания топлива, технический кислород) и водных растворах

Маслоты поршневых компрессионных и маслосъемных колец, седла и направляющие втулки клапанов дизелей и газомотокомпрессоров. Детали сглаживающих прессов и размольных мельниц бумагоделательных машин

ЧНХМД

Высокие механические свойства, сопротивление износу и коррозии в слабощелочных и газовых средах (продукты сгорания топлива, технический кислород) и водных растворах

Блоки и головки цилиндров, выхлопные патрубки двигателей внутреннего сгорания, паровых машин и турбин. Поршни и гильзы цилиндров паровых машин, тепловозных и судостроительных дизелей, детали кислородных и газовых мотокомпрессоров, детали бумагоделательных машин

ЧН2Х

Высокие механические свойства, сопротивление износу и коррозии в слабощелочных и газовых средах (продукты сгорания топлива, технический кислород), водных растворах и расплавах каустика

Различные типы зубчатых колес, цилиндры двигателей, абразивные диски, дроссели, холодильные цилиндры и валы бумагоделательных, картоноделательных и сушильных машин, матрицы штамповочных прессов

ЧНМШ

Повышенные механические свойства и термостойкость при температуре эксплуатации до 773 К

Крышки и днища цилиндров дизелей, головки поршней, маслоты поршневых колец, холодильные цилиндры и валы бумагоделательных, картоноделательных и сушильных машин

ЧН4Х2

Высокая стойкость против абразивного износа и истирания

Износостойкие детали машин, перекачивающих абразивные смеси, футеровки мельниц, пылепроводов, размалывающие валки и шары, сопла, склизы, грохота

ЧН15Д3Ш, ЧН15Д7

Высокая коррозионная и эрозионная стойкость в щелочах, слабых растворах кислот, серной кислоте любой концентрации при температуре более 323 К, в морской воде, в среде перегретого водяного пара. Чугун имеет высокий коэффициент термического расширения, может быть парамагнитным при низком содержании хрома

Насосы, вентили и другие детали нефтедобывающей, химической и нефтеперерабатывающей промышленности и арматуростроения.

Немагнитные литые детали электротехнической промышленности. Вставки гильз цилиндров, головки поршней, седла и направляющие втулки клапанов и выхлопные коллекторы двигателей внутреннего сгорания

ЧН19Х3Ш
ЧН11Г7Ш

Жаропрочность при температуре до 873 К, высокая коррозионная и эрозионная стойкость в щелочах, слабых растворах кислот, серной кислоте любой концентрации при температуре более 323 К в морской воде, в среде перегретого водяного пара. Имеет высокий коэффициент термического расширения, может быть парамагнитным при низком содержании хрома

Выпускные коллекторы, клапанные направляющие, корпусы турбонагнетателей в газовых турбинах, головки поршней, корпусы насосов, вентили и немагнитные детали

ЧН20Д2Ш

Высокие механические свойства при температуре до 173 К. Чугун имеет высокую ударную вязкость не менее 3,0 даДж/см на образцах с острым надрезом (Шарпи) и может быть пластически деформирован в холодном состоянии

Насосы и другие детали нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности, детали топливной арматуры

ЧНХМДШ

Высокие механические свойства, сопротивление износу и коррозии в слабощелочных и газовых средах (продукты сгорания топлива, технический кислород) и водных растворах

Блоки и головки цилиндров, выхлопные патрубки двигателей внутреннего сгорания, паровых машин и турбин. Поршни и гильзы цилиндров паровых машин, тепловозных и судостроительных дизелей, детали кислородных и газовых мотокомпрессоров, детали бумагоделательных машин.

ЧНЗХМДШ

Высокие механические свойства, сопротивление износу и коррозии в слабощелочных и газовых средах (продукты сгорания топлива, технический кислород), водных растворах и расплавах каустика

Различные типы зубчатых колес, цилиндры двигателей, абразивные диски, дроссели, холодильные цилиндры и валы бумагоделательных, картоноделательных и сушильных машин, матрицы штамповочных прессов.

L-NiMn 13 7

Не обладает магнитными свойствами

Крышки, создающие давление в турбогенераторных установках, кожухи распределительных устройств, фланцы изоляторов, зажимы и трубы

L-NiCuCr 15 6 2

Обладает хорошим сопротивлением коррозии, в особенности в щелочных средах, в разбавленных растворах кислот, в морской воде и в солевых растворах. Обладает хорошей теплостойкостью, хорошими несущими свойствами, высоким тепловым расширением, не обладает магнитными свойствами при низких содержаниях хрома

Насосы, клапаны, составляющие печи, втулки для кольцевых держателей поршня и металлических поршнях, изготовленных из легких сплавов.

L-NiCuCr 15 6 3

Обладает лучшим сопротивлением коррозии и эрозии, чем марка L-NiCuCr Л563

То же

L-NiCr 20 2

Обладает свойствами, аналогичными марке L-NiCuCr 15 6 2, но с более высоким сопротивлением коррозии в щелочных средах. Высокий коэффициент термического расширения

Для тех же изделий, что и марка L-NiCuCr 15 6 2, но предпочтительно для насосов, перекачивающих щелочь, для сосудов, в которых хранятся едкие щелочи; применяется в мыловарении, пищевой промышленности, а также в отраслях промышленности по производству искусственного шелка и пластмассах. Пригоден в тех случаях, когда требуются материалы, не содержащие медь

L-NiCr 20 3

Обладает теми же свойствами, что и марка L-NiCr 20 2, но обладает повышенным сопротивлением эррозии*, повышенной теплостойкостью и повышенной степенью расширения

В тех же изделиях, что и марка L-NiCr 20 2, но предпочтительно для применения в условиях высоких температур

L-NiSiCr 20 5 3

Обладает хорошим сопротивлением коррозии, даже в условиях разбавленной серной кислоты. Более теплостойкий, чем марка L-NiCr 20 2 и марка L-NiCr 20 3

Составные части насосов, отливки клапанов, применяемых в промышленных печах

L-NiCr 30 3

Обладает стойкостью к нагреванию и термическому удару до температуры 800 °С. Хорошее сопротивление коррозии при высоких температурах, высокое сопротивление эррозии* в условиях мокрого пара и соляной суспензии; средняя степень термического расширения

Насосы, сосуды под давлением, клапаны, детали фильтрующих устройств, выхлопных трубопроводов и для корпусов турбозагрузочных устройств

L-NiSiCr 30 5 5

Обладает хорошим сопротивлением коррозии, эррозии* и теплостойкостью; средняя степень теплового расширения

Применяется для составных частей насосов, для клапанов, применяемых для промышленных печей

L-Ni 35

Обладает стойкостью тепловому напряжению; низкая степень термического расширения

Детали, обладающие способностью сохранять размеры (например, в станках), для научных приборов, для стеклянных форм

S-Ni Mn 13 7

Не обладает магнитными свойствами

Крышки, создающие давление, в турбогенераторных установках, кожухи распределительных устройств, фланцы изоляторов, зажимы и трубы.

S-NiCr 20 2

По своему составу, по сопротивлению коррозии и теплостойкости аналогичен марке L-NiCr 20 2

Насосы, клапаны, компрессоры, втулки, корпусы турбонагнетателей, для выхлопных трубопроводов

S-NiCr 20 3

По свойствам аналогичен марке S-NiCr 20 2, но более теплостойкий и обладает лучшим сопротивлением эррозии*

То же

S-NiSiCr 20 5 2

Обладает хорошим сопротивлением коррозии даже в разбавленной серной кислоте. Хорошая теплостойкость.

Составные части для клапанов, насосы, для отливок, применяемых в промышленных печах, которые подвергаются высокому механическому напряжению

S-Ni 22

Высокий коэффициент теплового расширения; более низкое сопротивление коррозии и более низкая теплостойкость, чем у марки L-NiCr 20 2.

Хорошие характеристики динамического воздействия вплоть до минус 100 °С. Магнитными свойствами не обладает

Насосы, клапаны, компрессоры, втулки, корпусы турбонагнетателей, для выхлопных трубопроводов

S-NiMn 23 4

Очень высокий коэффициент теплового расширения. Хорошие характеристики динамического воздействия вплоть до минус 196 °С. Магнитными свойствами не обладает

Отливки в холодильной технике для использования до температуры минус 196 °С.

S-NiCr 30 1

Обладает свойствами, аналогичными свойствам марки S-NiCr 30 3, хорошие опорные характеристики

Насосы, котлы, клапаны для деталей фильтрующих устройств, для выхлопных трубопроводов, для корпусов турбонагнетателей

S-NiCr 30 3

Обладает свойствами, аналогичными свойствам марки L-NiCr 30 3. Обладает повышенным сопротивлением ползучести, при добавлении 1% по массе молибдена

Насосы, котлы, клапаны, детали фильтрующих устройств, выхлопных трубопроводов, корпусы турбонагнетателей

S-NiSiCr 30 5 5

Обладает свойствами, аналогичными свойствам марки L-NiSiCr 30 5 5. Обладает повышенным сопротивлением ползучести, при добавлении 1% по массе молибдена

Составные части насосов, клапанов, отливки, применяемые в промышленных печах, подвергаемых высокому механическому напряжению

S-Ni 35

Подобно марке L-Ni 35, имеет небольшой коэффициент теплового расширения, но более стойкий к тепловому удару

Детали, обладающие способностью сохранить размеры (например, в станках), для научных приборов, для стеклянных форм

S-NiCr 35 3

Обладает свойствами, аналогичными свойствам марки S-Ni 35, повышенным сопротивлением ползучести при добавлении 1% по массе молибдена

Составные части корпусов газовых турбин, для стеклянных форм

Классификация чугуна

 

Чугуном называется сплав железа с углеродом. Содержание углерода превышает 2.14%. Также в состав чугуна входят различные примеси, которые придают ему дополнительные свойства. Чугун – хрупкий материал. Различают чугунное литье, и чугун для обработки стали. Чугунное литье широко используется в металлургии благодаря высокой прочности чугуна.

Чугун делят на виды в зависимости от количества и формы содержащихся углеродных соединений: белый, серый, ковкий, высокопрочный, половинчатый. В белом чугуне углерод представлен цементитом. В структуру белого чугуна входят перлит, ледебурит и цементит. Белым назван из-за белого цвета излома.

В состав серого чугуна входят железо, кремний (1,2-3,5%) и углерод, примеси марганца, фосфора, серы. Делится на доэвтектический, эвтектический и заэвтекический. Наличие графита придает серый цвет на изломе. Используется в машиностроении, сантехнике и строительных конструкциях.

В состав ковкого чугуна входит графит хлопьевидной формы, который получают путем длительного отжига белого чугуна. Структура содержит феррит или перлит. У ковкого чугуна высокие показатели пластичности и вязкости, прочности при растяжении и сопротивления удару. Ковкий чугун используют для изготовления деталей со сложной формой. Маркировка содержит данные о пределах прочности в МПа на разрыв и относительном удлинении в процентах, которое характеризует пластичность ковкого чугуна. Выглядит она так – КЧ ХХХ- YY.

В структуру высокопрочного чугуна входит шаровидный графит, образующийся в результате кристаллизации. Он в меньшей степени ослабляет металлическую основу чугуна, по сравнению с пластинчатым, и не играет роль концентратора напряжения. В состав половинчатого чугуна входит углерод в виде цементита 0,8%. Структура состоит из перлита, ледебурита.

В промышленности принята следующая маркировка чугуна: передельный чугун, передельно-литейный чугун, передельный фосфористый чугун, передельный высококачественный чугун, чугун с пластинчатым графитом, антифрикционный чугун ( делится на серый, высокопрочный и ковкий), чугун с шаровидным графитом для отливок и легированный чугун с специальными свойствами.

В чугунном литье используется литейный чугун различных марок. При использовании литейного чугуна марок Л1-Л6 получаемая продукция соответствует требованиям к качеству, указанных в ГОСТах.

Ковкий чугун

Ковким называется чугун, который получается при длительном отжиге (томлении) отливок из белого чугуна. При отжиге чугуна цементит Fe3C разлагается с образованием железа и углерода отжига (графита), имеющего компактную хлопиевидную форму (рис. 75). При этой форме графита получается чугун, обладающий повышенной прочностью, некоторой пластичностью и сопротивлением ударным нагрузкам.

Рис. 75. Схема микроструктуры ковкого чугуна

Название «ковкий чугун» условно и указывает лишь на то, что этот материал по сравнению с серым чугуном является более пластичным; в действительности же ковкий чугун никогда ковке не подвергается, из него так же, как и из серого чугуна, изготовляют лишь фасонные отливки для машиностроения. Для этого выплавляют чугун такого химического состава, чтобы при затвердевании в форме он получился белым (с перлитно-цементитной структурой). Из белого чугуна обычным способом получают отливки, которые затем подвергают отжигу с целью разложения цементита и получения необходимой конечной структуры.Ковкий чугун по своим механическим свойствам занимает промежуточное положение между серым чугуном и сталью. Он имеет достаточно высокие антикоррозионные свойства и хорошо работает в среде сырого воздуха, топочных газов и воды. Его химическая стойкость выше стойкости углеродистых сталей.

В зависимости от способа производства ковкого чугуна он разделяется на две группы: ферритный (черносердечный) и перлитный (белосердечный).

Ферритный (черносердечный) ковкий чугун получается при отжиге отливок в нейтральной среде. Этот чугун имеет бархатистый черный излом с тонкой наружной серой каймой и структурой, состоящей из феррита и углерода отжига (рис. 75, б). Химический состав металла отливок до отжига: 2,2 ÷ 2,9%С; 0,8 ÷ 1,4% S; 0,3 ÷ 0,5% Мn; до 0,2% Р; до 0,12%S; до 0,05% Сr. С уменьшением содержания углерода механическая прочность чугуна повышается, но ухудшаются его литейные свойства.

Механическая прочность ферритного ковкого чугуна соответствует маркам КЧ 37—12, КЧ 35—10, КЧ 33—8 и КЧ 30—6, где КЧ означают «ковкий чугун», первое число определяет минимальный предел прочности при растяжении, второе число — минимальное относительное удлинение в процентах. Из ферритного ковкого чугуна отливают детали для автомобилей и сельскохозяйственных машин, испытывающих сложные напряжения и ударные нагрузки.

Перлитный (белосердечный) ковкий чугун получают при отжиге отливок из белого чугуна в окислительной среде. Этот чугун имеет серебристый излом.

Микроструктура белосердечного ковкого чугуна резко меняется по сечению: у края металл отливки имеет структуру феррита, к центру — структуру перлитно-ферритную (рис. 75, а) или перлитную с углеродом отжига. Белый чугун, используемый для получения белосердечного ковкого чугуна, имеет следующий химический состав: 2,8—3,3%С; до 1,1% Si; 0,5—0,7% Мn; до 0,2% Р, до 0,3% S. После отжига содержание углерода в чугуне уменьшается. В отливках со стенками толщиной 3—5 мм содержание углерода уменьшается до 0,6%, в отливках со стенками толщиной 10—15 мм — до 1,5—2,2%.

Механическая прочность белосердечного ковкого чугуна соответствует маркам КЧ 40—3, КЧ 35—4 и КЧ 30—3. Белосердечный ковкий чугун имеет меньшее удлинение, чем черносердечный, поэтому его применяют для  малоответственных отливок (арматура, гаечные ключи, фитинги, гайки и др.). Отжиг отливок для получения ферритного и перлитного ковкого чугуна производят по различным режимам, описанным ниже.

Состав чугуна

Чугун фактически представляет собой сплав железа, углерода и кремния, содержащий от 3 до 5,5 процентов углерода, от 1 до 3 процентов кремний, а также следы других элементов, таких как сера, магний и калий в сумме около 0,5 процента. Напротив, стали содержат менее 2% углерода. По матовой базе сайт, основные преимущества чугуна — низкая цена и способность формовать сложные формы за один раз этап производства.Чугун — это черный металл, но тот, достаточно высокая устойчивость к ржавчине

Характеристики
Чугун слабее стали при растяжении, но прочный или прочнее стали при сжатии, в зависимости от на веб-сайт Mat Base. Он также более хрупок, чем сталь, и может треснуть или сломаться от удара. Прочность чугуна зависит от морфологии углерода. В сером чугуне, углерод присутствует в виде пластин чистого графита.Это самая слабая форма. В ковком чугуне углерод присутствует в виде графитовые сферы. Это самая прочная форма чугуна.

Другие типы
Другие виды чугуна включают белый чугун. Это на самом деле карбид железа. Это очень твердый, но очень хрупкий металл. Часто, Части чугунного литья, которые будут подвержены износу, охлажденный, чтобы преобразовать эту область в белое железо. Тогда есть ковкий чугун, представляющий собой белый чугун, подвергнутый к двухэтапному процессу термообработки, который производит неравномерную углеродные зерна.Он легко обрабатывается и может быть выборочно затвердевают после механической обработки.

Инженерный материал
Чугун может использоваться для различных целей, в соответствии с сайт машиностроения. Его можно обработать, чтобы закрыть допускам, устойчив к деформации, может подвергаться термообработке для придания желаемые характеристики, такие как твердость поверхности, могут быть отлиты со вставками из других материалов, и может производить очень сложные формы и размеры сечения от нескольких унций до более 100 тонн.

Сплавы
Чугун также может быть легирован другими металлами для придания желаемые характеристики, которых невозможно достичь с чугуном в одиночку, согласно Machine Design. Чугун обычно сплав хрома и/или никеля с содержанием от 3 процентов до 30 и более процентов легирующего металла. например, высокий хромистое железо (до 16 процентов) сочетает в себе износостойкость и устойчивость к коррозии. Железо с высоким содержанием никеля (более 35%). стабильный по размерам при высоких температурах, немагнитный и очень ржавеющий стойкий.

 

Функция
Серый чугун, согласно конструкции машин, используется в промышленности для блоков двигателей, легких передач, маховиков, тормозных дисков или барабаны и станины. Его способность гасить вибрацию делает это ценно для точного машиностроения. Это также найдено в доме в таких предметах, как кухонная посуда, декоративные предметы и игрушки.пластичный чугун используется для изготовления коленчатых валов двигателей, высокопрочных шестерен и дверные петли авто. Белый чугун используется для приложений, требующих стойкость к истиранию, например, железнодорожные тормозные колодки, мельничные футеровки и пескоструйное или дробеструйное оборудование. Ковкое железо отливки используются для несущих поверхностей грузовых автомобилей, строительных оборудования, железнодорожного подвижного состава и других экстремально изнашиваемых оказание услуг.

 

 

ДОМАШНЯЯ СТРАНИЦА | КАСТИНГ БЛОГ | СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

Чугуны: состав и свойства | сплавы | Железо

В этой статье мы обсудим:- 1. Введение в чугуны 2. Состав и скорость охлаждения чугунов 3. Сравнение свойств 4. Наука о развитии микроструктур.

Знакомство с чугунами:

Чугуны представляют собой железоуглеродистые (и кремниевые) сплавы, имеющие углеродное или углеродное эквивалентное значение более 2% (фактически оно равно 2.1 1%), т. е. больше, чем максимальная растворимость углерода в твердом состоянии в аустените, при которой при затвердевании происходит эвтектическая реакция. Поскольку более высокое содержание углерода делает их более хрупкими, промышленные чугуны обычно содержат углерод в диапазоне от 2,11 до 4% и кремний от 0,5 до 3% (наряду с другими элементами, такими как марганец, сера и фосфор).

Чугуны, будучи хрупкими, не поддаются ковке, прокатке, волочению и т. д., а могут быть только «отлиты» в желаемые формы и размеры (с механической обработкой или без нее) путем заливки расплавленного сплава желаемого состава в форму желаемого состава. форму, а затем, позволяя ему затвердеть.

Поскольку литье является единственным и исключительным подходящим процессом для придания формы этим сплавам, они называются чугунами. Чугуны являются наименее дорогими, легкоплавкими (1140–1200 °C) материалами с хорошей литейностью, хорошей обрабатываемостью, хорошей износостойкостью, высокой демпфирующей способностью, высокой прочностью на сжатие (в 3–5 раз выше предела прочности при растяжении), нечувствительными к надрезам (серые утюги) и хорошая коррозионная и термостойкость. Хотя чугуны уступают стали по механическим свойствам, они превосходят их по демпфирующей способности, качеству скольжения, износостойкости и, конечно же, стоимости.

Состав и скорость охлаждения чугунов:

Углерод в чугуне может быть в связанной форме в виде цементита или в свободной форме в виде графита, или в обеих формах.

В зависимости от химического состава (в том числе от наличия зародышей графита) и скорости охлаждения отливки из расплавленного состояния:

1. Состав чугунов:

(а) Углерод:

По мере увеличения содержания углерода температура плавления (по сравнению со сталями) снижается до 1200–1140°C, и, таким образом, углерод действует как графитизатор.Но чем больше образуется графита, тем ниже механические свойства.

(б) Кремний (0,5-3,0%):

Кремний в основном контролирует форму углерода, присутствующего в чугуне. Кремний является сильным графитизатором. В зависимости от своего содержания (и скорости охлаждения) кремний не только способствует осаждению графита во время затвердевания, но также может графитизировать как вторичный, так и эвтектоидный цементит. После того, как графитовая чешуйка сформировалась, ее форма не может быть изменена в дальнейшем никакими методами.Рис. 15.1 (б) иллюстрирует влияние углерода и кремния на структуру белого или серого чугуна.

Кремний снижает эвтектический состав примерно на 0,30% углерода на каждый 1% кремния, т.е. эвтектический состав затем рассчитывается с помощью CEV. Кремний также снижает содержание эвтектоидного углерода. В зависимости от содержания кремния и скорости охлаждения содержание углерода в перлите уменьшается до 0,50% при 2,5% кремния.

Кремний смещает линию эвтектики графита вверх, так что температурный интервал между линией графита и линией цементита увеличивается с 6°C при 0% Si до 35°C при 2% Si (это увеличивает степень переохлаждения, чтобы способствовать образованию графита). ).

Характер чугуна, белого или серого, можно изменить, варьируя как углерод, так и кремний, а также скорость охлаждения. Для высокой прочности углерод остается на нижней стороне (чтобы иметь небольшой объем графита), а кремний — на более высокой стороне (сохранение баланса для получения хорошей обрабатываемости). Рис. 15.1 (а) показывает, что наибольшая структурная прочность достигается при содержании углерода около 2,75 % и кремния около 1,5 %, т. е. при полностью перлитной матрице.

Рис.15.2 показано, что перлитный серый чугун с CEV = 4,2 должен иметь размер от 15 до 4,5 мм в толщину листа или от 30 до 8,5 мм в диаметре. бар, иллюстрирующий влияние скорости охлаждения. Легирующие элементы, добавляемые для придания особых свойств, влияют на холод. Некарбидообразующие элементы, такие как Ni, Al, Cu, способствуют образованию графита, тогда как карбидообразующие элементы, такие как Mn, Cr, Mo и т. д., способствуют образованию цементита.

В зависимости от потенции эффект обычно рассчитывается как эквивалент кремния:

Si экв.Значение- % Si + 3 (% C) + 0,3 (Ni % + % Cu) + 0,5 (% Al) + % P – 0,25 (% Mn) – 0,35 (% Mo) – 1,2 (% Cr) …(15,1)

(c) Сера и марганец:

Сера (0,06-0,12%), когда она присутствует в виде FeS (который увеличивает склонность к хрупкости), способствует образованию цементита, т. е. замедляет графитизацию и увеличивает размер чешуек. Марганец (0,5-1,0%) является мягким карбидообразователем и регулирует действие серы, если присутствует достаточное количество Mn (одна часть серы на 1.72 части марганца), так как он имеет большее сродство к сере (чем Fe) с образованием MnS, который поднимается наверх отливки, чтобы соединиться со шлаком, — таким образом устраняется краснокороткость эвтектики FeS.

Таким образом, марганец

косвенно способствует графитизации, так как удаляет серу (что способствует образованию цементита). Более прямые эффекты марганца включают сильное стабилизирующее цементит действие на эвтектоидную графитизацию (можно добавить около 1% Mn для получения перлитной матрицы в графитовых чугунах), упрочнение железа, измельчение зерна и увеличение прочности.

(г) Фосфор (0,1-0,9%):

При содержании фосфора менее 0,3 % он растворяется в феррите, в противном случае образуется Fe 3 P, который образует эвтектику (91,19 % Fe, 1,92 % C, 6,89 % P), называемую стедитом, который является хрупким (вызывает хладноломкость). , т. е. отливки непригодны по ударопрочности) и легкоплавкие, МП 960°С.

Это увеличивает интервал затвердевания эвтектики и, таким образом, способствует образованию графита и улучшает литейные свойства даже тонких и сложных профилей.1% фосфора в железе приводит к образованию стедита, на долю которого приходится 10% объема отливки; очевиден охрупчивающий эффект стедита.

2. Скорость охлаждения чугуна :

В сплавах Fe-C, хотя графит является более стабильной фазой, образование цементита кинетически предпочтительнее, так как оно легче и быстрее (для разделения требуется только 6,67% атомов углерода) для образования цементита. Высокая скорость охлаждения предотвращает образование графита на всех стадиях (от жидкой до эвтектоидной реакции).

Однако при содержании кремния более 3% графит получается даже при быстром охлаждении отливки. На рис. 15.2 показано влияние размера сечения (т. е. скорости охлаждения) и значения углеродного эквивалента на тип структуры и, следовательно, на тип получаемого чугуна.

Присутствие модификаторов, таких как Ca, Al, Ti, Zr, SiC, CaSi и т. д., уменьшает размер чешуек и улучшает равномерность их распределения, вероятно, потому, что зародыши способствуют зарождению первичного аустенита, тем самым уменьшая их зерно размер и, следовательно, размер хлопьев и лучшее распределение.

Сравнение свойств чугуна:

В таблице 15.6 сравниваются некоторые свойства некоторых чугунов. Серый чугун является самым дешевым и простым в литье для получения качественных отливок. Чугуны с компактным графитом обладают превосходными механическими свойствами даже при повышенных температурах, чем серый чугун, но они дороги и обычно не подвергаются термической обработке.

Миханитовые утюги лучше, чем серые, но немного дороже. Чугун SG страдает от большей усадки при литье (требуются большие стояки и т. д.) и дороги, но обеспечивают гораздо более высокую прочность, пластичность и ударную вязкость. Ковкий чугун трудно отлить (как белый чугун), и существуют ограничения по размеру сечения, чем у чугуна SG.

Они обычно стоят дороже в окончательной форме, чем чугун с шаровидным графитом, но тонкие срезы из ковкого чугуна могут быть предпочтительнее для более высокой ударной вязкости; Железо SG может потребовать отжига для получения более однородной структуры.

Для различения утюгов, утюг SG дает определенный звон при ударе молотком (не такой чистый, как у сталей), тогда как серый утюг производит затухающий звук.Однако вдыхание свежеотполированной поверхности чугуна SG дает запах ацетиленового газа (его карбид магния реагирует с влагой дыхания).

Наука о развитии микроструктуры чугунов:

Графитовые чугуны имеют графит, встроенный в стальную матрицу, т. е. различные пропорции феррита и перлита (от нуля процентов перлита до 100%). Свойства чугунов определяются свойствами как матрицы, так и количеством, размером, формой и распределением столь необходимых включений графита (для некоторых свойств, таких как обрабатываемость, демпфирующая способность, износостойкость и т.). Чешуйки графита в сером чугуне оказывают ослабляющее и охрупчивающее действие, поскольку графит можно представить как пустоты или острые трещины, нарушающие непрерывность пластичной матрицы.

Острые концы каждой чешуи действуют как внутренний надрез, который под действием напряжения действует как средство повышения напряжения, что позволяет легко распространять трещину в пластиковой матрице, образуя хрупкий, закопченный, серый излом при низких напряжениях от 150-400 МНм. -2 в зависимости от характера матрицы; максимальное значение имеет место, когда матрица состоит только из тонкого перлита.

Термическая обработка серого чугуна может привести к другим структурам матрицы, таким как мартенсит отпуска, который обычно обладает более высокими прочностными свойствами, но важные свойства, такие как предел прочности при растяжении, ударная вязкость и пластичность, не сильно меняются, поскольку чешуйки вызывают хрупкое разрушение . Прочностные свойства серого чугуна еще больше ухудшаются по мере увеличения объема графита и укрупнения чешуек. Замкнутая сеть графитовых чешуек приводит к худшим механическим свойствам.

Повышение прочности и ударной вязкости может быть достигнуто за счет более мелкого измельчения чешуек, например, в механитовом железе, и за счет уменьшения общего объема графита за счет меньшего содержания углерода и кремния. Затем прочность и ударная вязкость могут быть повышены путем термической обработки, т. е. путем изменения матрицы.

Охрупчивающее действие графита может быть резко снижено, если форма графита изменится с чешуйчатой ​​на сфероидальную, так как круглые графитовые включения не создают резких концентраций напряжений, поскольку они не действуют как острые трещины в матрице (даже короткие чешуйки- графитовые стержни с закругленными краями в уплотненном графите (железо является меньшим концентратором напряжений).

Таким образом, чугуны С.Г. обладают более высокой прочностью на растяжение и изгиб наряду с пластичностью. При одной и той же стальной матрице пластичность (определяемая как % удлинения) чугунов изменяется в зависимости от заданной формы графита, т. е. пластичность оказывается более зависимой от формы и размера графита, чем от металлической матрицы в графитовых чугунах.

Твердость (макро) больше зависит от структуры матрицы и меньше от формы графита. Серый чугун обычно подвергают закалке и отпуску для повышения его сопротивления износу и истиранию за счет увеличения твердости за счет структуры, состоящей из графита, встроенного в твердый мартенсит.Чугун в целом никогда не подвергается закалке в воде (за исключением поверхностной закалки), поскольку он обладает относительно высокой прокаливаемостью для получения мартенсита закалкой в ​​масле и не вызывает больших закалочных напряжений.

Поскольку желваковая форма графита в чугуне с шаровидным графитом (как и в ковком чугуне) не является резким концентратором напряжений и не ведет себя как трещина, изменение микроструктуры матрицы подходящей термической обработкой приводит к заметному увеличению прочностные свойства чугуна с шаровидным графитом (а также ковкого чугуна) и, таким образом, подвергаются различной термообработке.

Когда графитовый чугун нагревают для термической обработки, он имеет тенденцию образовывать защитную атмосферу, если помещается в герметичную печь или в ящик, в противном случае происходит нежелательное сильное окисление. Образуется подшкала силиката железа, которую можно удалить только электролизом расплавленной соли (процесс Колене). Лучше использовать защитную газовую среду, особенно для чистовых деталей.

Нагрев графитового чугуна может изменить его матрицу. Когда его нагревают, то при температурах, приближающихся к нижней критической температуре, выше примерно 540°С, его кремний может вызывать диссоциацию цементита перлита на феррит и углерод.Углерод диффундирует к уже существующему графиту и откладывается на нем.

Нижняя критическая температура чугуна рассчитывается как:

Нижняя критическая температура, °С = 730 + 28 (% Si) – 25 (% Mn) …(15,2)

При нагревании этого чугуна выше критической температуры образуется аустенит, который за короткое время насыщается углеродом, растворенным из графита. Микроструктура чугуна при температуре чуть выше Т 2 должна иметь графит и аустенит точки состава С 1 , как показано на рис.15.14.

Если чугун нагреть до более высокой температуры, из графита растворится больше углерода, чтобы насытить аустенит при новой температуре. Например, при температуре Т (≈ 900 °С) аустенит имеет содержание углерода около 1,1 %. Таким образом, как только аустенит получен, чугуны могут быть подвергнуты большей части термической обработки, как и стали, при условии, что они экономически выгодны.

Химический состав также влияет на термообработку чугуна. Нелегированные чугуны содержат кремний и марганец.Кремний ускоряет различные реакции, протекающие при термообработке; уменьшает растворимость углерода в аустените, увеличивает скорость диффузии углерода в аустените; значительно повышает температуру аустенизации, как указано в уравнении 15.2; уменьшает объем цементита в перлите, т. е. содержание углерода в перлите менее 0,77 %, а при 2,5 % кремния может составлять 0,50 %.

Марганец оказывает противоположное действие – снижает температуру аустенизации; увеличивает растворимость углерода в аустените; уменьшает диффузию углерода в аустените; увеличивает объем цементита в перлите, т.е.д., увеличивает содержание углерода в перлите; стабилизирует перлитный карбид, тем самым увеличивая содержание перлита; уменьшает расстояние между перлитами, тем самым повышая прочность; повышает прокаливаемость, но обычно замедляет реакции термообработки.

Серый чугун — Научно-исследовательский институт чугунного литья, Inc.

 Серый чугун — уникальный инженерный материал

по
D.E. Краузе, исполнительный директор, 1940-1973
(Научно-исследовательский институт серого чугуна)
Научно-исследовательский институт чугунного литья

СПРАВКА: Краузе, Д.E., «Серый чугун — уникальный конструкционный материал». Отливки из серого, ковкого и ковкого чугуна — текущие возможности, ASTM STP 455, Американское общество испытаний и материалов, Филадельфия, 1969, стр. 3-28.

РЕЗЮМЕ: Серый чугун является наиболее универсальным из всех литейных металлов. Высокое содержание углерода обеспечивает простоту плавления и литья в литейном производстве, а также легкость механической обработки при последующем производстве. Низкая степень или отсутствие усадки и высокая текучесть обеспечивают инженеру максимальную свободу проектирования.Путем соответствующей корректировки состава и выбора метода литья прочность на растяжение может варьироваться от менее чем 20 000 фунтов на квадратный дюйм до более 60 000 фунтов на квадратный дюйм, а твердость — от 100 до 300 BHN в литом состоянии. Путем последующей термической обработки твердость может быть увеличена до H. g следует тщательно изучить, прежде чем указывать более высокую марку прочности и твердости железа. Ненужное увеличение прочности и твердости может увеличить стоимость отливки, а также увеличить стоимость механической обработки за счет снижения скорости обработки.Хотя зависимость между твердостью по Бринеллю и пределом прочности при растяжении для серого чугуна непостоянна, приведены данные, которые позволят использовать критерий твердости по Бринеллю для оценки минимального предела прочности при растяжении чугуна в отливке.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: отливки из серого чугуна, конструкция отливки, методы литья, отливки из ВЧШГ, отливки из ковкого чугуна, металлы, испытания, оценка

7 сентября 1990 г.

Кому: Всем читателям отчета Д.Э Краузе

Хотя этот краткий технический документ, первоначально представленный в 1969 году, по-прежнему является одним из лучших обзоров металлургии и свойств серого чугуна, мы обращаем ваше внимание на один вопрос, на который недавние исследования и опыт литейного производства пролили больше света. Речь идет о влиянии марганца и серы.

В отличие от традиционного взгляда на эти эффекты элементов, отмеченные здесь, работа 1980-х годов подтверждает, что во многих случаях уровни марганца выше этого количества в сочетании с серой (около 1.в 7 раз выше уровня серы) имеют тенденцию к снижению прочности и твердости за счет повышения содержания феррита. Однако низкие уровни, слишком близкие к этому «сбалансированному соотношению» 1,7, имеют тенденцию способствовать высокой и более неустойчивой твердости и/или карбидам.

Следовательно, для большинства применений оптимальный рабочий уровень марганца составляет около (1,7 x % серы), + 0,3% до 0,5%. Например, для железа с содержанием серы 0,10% оптимальным диапазоном содержания марганца будет от 0,47% до 0,67%. Движение к нижнему пределу диапазона обычно поддерживает более высокую твердость и прочность на растяжение, в то время как движение к верхнему пределу снижает и то, и другое.На этот эффект также влияют другие металлургические условия, характерные для каждого базового чугуна, поэтому необходимо определить оптимальный диапазон для каждой конкретной операции плавки.

Мы надеемся, что это разъяснение будет информативным и полезным как для производителей литья, так и для пользователей.

Уильям Ф. Шоу, исполнительный директор Научно-исследовательского института чугунного литья


Серый чугун является одним из старейших литых черных металлов. Несмотря на конкуренцию со стороны более новых материалов и их энергичное продвижение, серый чугун по-прежнему используется в тех случаях, когда его свойства доказали, что он является наиболее подходящим доступным материалом.Наряду с кованой сталью серый чугун является наиболее широко используемым металлическим материалом в технических целях. В 1967 г. производство отливок из серого чугуна составило более 14 млн. т, что примерно в два с половиной раза превышает объем всех остальных видов отливок вместе взятых. Есть несколько причин его популярности и широкого использования. Он обладает рядом желательных характеристик, которыми не обладает ни один другой металл, и, тем не менее, он является одним из самых дешевых черных металлов, доступных инженеру. Отливки из серого чугуна легко доступны почти во всех промышленных областях и могут быть произведены в литейных цехах при сравнительно скромных инвестициях.Цель этой статьи — привлечь ваше внимание к характеристикам серого чугуна, которые делают этот материал таким полезным.

Серый чугун — один из самых легко отливаемых металлов в литейном производстве. У него самая низкая температура заливки среди черных металлов, что отражается в его высокой текучести и способности отливать сложные формы. Из-за особенностей последних стадий затвердевания он имеет очень низкую, а в некоторых случаях и вовсе не усадку жидкости в твердое состояние, так что можно легко получить качественные отливки.В большинстве случаев серый чугун используется в литом состоянии, что упрощает производство. Серый чугун обладает отличными механическими свойствами, легко удаляет стружку и дает поверхность с отличными характеристиками износа. Устойчивость серого чугуна к задирам и истиранию с соответствующей структурой матрицы и графита общепризнана.

Отливки из серого чугуна

можно производить практически любым известным литейным процессом. Удивительно, но, несмотря на то, что серый чугун был старым материалом и широко использовался в инженерном строительстве, металлургия этого материала не была ясно понята до сравнительно недавнего времени.Механические свойства серого чугуна определяются не только составом, но и во многом зависят от практики литейного производства, особенно от скорости охлаждения при отливке. Весь углерод в сером чугуне, за исключением соединения с железом, образующего перлит в матрице, присутствует в виде графита в виде чешуек разного размера и формы. Наличие этих чешуек, образующихся при затвердевании, характеризует серый чугун. Наличие этих чешуек также придает серому чугуну большинство желаемых свойств.

Металлургия серого чугуна

Маккензи [1] в своей мемориальной лекции Хоу 1944 года назвал чугун «сталь плюс графит». Хотя это простое определение по-прежнему применимо, на свойства серого чугуна влияет количество присутствующего графита, а также форма, размер и распределение графитовых чешуек. Хотя матрица напоминает сталь, содержание кремния обычно выше, чем у литых сталей, а более высокое содержание кремния вместе со скоростью охлаждения влияет на количество углерода в матрице.Серый чугун относится к семейству высокоуглеродистых кремниевых сплавов, в которое входят ковкие и шаровидные чугуны. За исключением магния или других элементов, образующих узелки, в шаровидном железе, за счет различных методов плавки и литейного производства можно производить все три материала из одного и того же состава. Несмотря на широкое использование серого чугуна, многие пользователи и даже производители материала не совсем понимают его металлургию. Одно из первых и наиболее полных обсуждений механизма затвердевания чугунов было представлено в 1946 году Бойлсом[2].Подробное обсуждение металлургии серого чугуна можно найти в доступных справочниках [3-7]. Самый последний обзор металлургии чугуна и образования графита был сделан Визером и др. [8]. Во избежание ненужного дублирования информации здесь будут обсуждаться только наиболее существенные особенности металлургии серого чугуна.

Состав

Серый чугун промышленно производится в широком диапазоне составов. Литейные заводы, отвечающие одним и тем же спецификациям, могут использовать разные составы, чтобы воспользоваться более дешевым местным сырьем и общим характером типа отливок, производимых в литейном цехе.По этим причинам следует избегать включения химического состава в спецификации на закупку отливок, за исключением случаев, когда это необходимо для применения. Диапазон составов, которые можно найти в отливках из серого чугуна, следующий: общий углерод от 2,75 до 4,00%; кремний от 0,75 до 3,00%; марганец от 0,25 до 1,50%; сера от 0,02 до 0,20%; фосфора от 0,02 до 0,75%. В различных количествах могут присутствовать один или несколько следующих легирующих элементов: молибден, медь, никель, ванадий, титан, олово, сурьма и хром.Азот обычно присутствует в диапазоне от 20 до 92 частей на миллион.

Концентрация некоторых элементов может превышать пределы, указанные выше, но обычно диапазоны меньше указанных.

Углерод, безусловно, самый важный элемент в сером чугуне. За исключением углерода в перлите матрицы, углерод присутствует в виде графита. Графит присутствует в виде чешуек и, как таковой, значительно снижает прочность матрицы на растяжение. Можно производить все сорта железа согласно Спецификации ASTM для отливок из серого чугуна (A 48-64), просто регулируя содержание углерода и кремния в железе.Было бы невозможно производить серый чугун без присутствия соответствующего количества кремния. Добавление кремния снижает растворимость углерода в железе, а также снижает содержание углерода в эвтектике. Эвтектика железа и углерода составляет около 4,3%. Добавление каждого 1,00 процента кремния снижает количество углерода в эвтектике на 0,33 процента. Поскольку углерод и кремний являются двумя основными элементами в сером чугуне, совокупный эффект этих элементов в виде процента углерода плюс 1/s процента кремния называется углеродным эквивалентом (CE).Серые чугуны, имеющие значение углеродного эквивалента менее 4,3 процента, называются доэвтектическими чугунами, а чугуны с углеродным эквивалентом более 4,3 процента называются заэвтектическими чугунами. Для доэвтектических чугунов в автомобильной и смежных отраслях каждое увеличение значения углеродного эквивалента на 0,10 процента снижает предел прочности на растяжение примерно на 2700 фунтов на квадратный дюйм.

Если скорость охлаждения или затвердевания слишком велика для выбранного значения углеродного эквивалента. железо может замерзнуть в метастабильной системе железо-карбид железа, а не в стабильной системе железо-графит, что приводит к твердым или закаленным краям отливок.Значение углеродного эквивалента можно варьировать путем изменения содержания углерода и кремния или обоих. Увеличение содержания кремния оказывает большее влияние на уменьшение острых кромок, чем увеличение содержания углерода до того же значения углеродного эквивалента. Кремний имеет другие эффекты, помимо изменения содержания углерода в эвтектике. Увеличение содержания кремния снижает содержание углерода в перлите и повышает температуру превращения феррита и перлита в аустенит. Это влияние кремния на критические области обсуждалось Редером [9].

Наиболее распространенный диапазон содержания марганца в сером чугуне составляет от 0,55 до 0,75 процента. Увеличение содержания марганца способствует образованию перлита при охлаждении до критического диапазона. Следует признать, что эффективна только та часть марганца, которая не соединена с серой. Практически вся сера в сером чугуне находится в виде сульфида марганца, а необходимый для этого марганец в 1,7 раза превышает содержание серы. Марганец часто поднимается выше 1.00 процентов, но в некоторых типах отливок из сырого песка могут встречаться точечные отверстия.

Сера редко преднамеренно добавляется в серый чугун и обычно поступает из кокса в процессе плавки в вагранке. Содержание серы до 0,15% способствует образованию графита типа А. Приблизительно выше 0,17 процента сера может привести к образованию пузырей в отливках из сырого песка. Большинство литейных цехов поддерживают содержание серы ниже 0,15 процента, при этом от 0,09 до 0,12 процента является обычным диапазоном для чугуна, выплавляемого в вагранке.Колло и Тим [10] сообщают, что если содержание серы уменьшить до очень низкого значения вместе с низким содержанием фосфора и кремния, в результате получится более прочное железо, которое было обозначено как «TG» или прочное графитовое железо.

Содержание фосфора в большинстве высокопроизводительных отливок из серого чугуна составляет менее 0,15 процента при текущей тенденции к большему количеству стали в шихте печи; обычно содержание фосфора ниже 0,10%. Фосфор обычно встречается в виде эвтектики железо-железо-фосфид, хотя в некоторых высокоуглеродистых железах может образовываться тройная эвтектика железо-железо-фосфид-карбид железа.Эта эвтектика будет находиться на границах эвтектических ячеек, и при содержании фосфора выше 0,20% может наблюдаться снижение обрабатываемости. Содержание фосфора более 0,10% нежелательно в чугунах с низким содержанием углерода, используемых для изготовления головок и блоков двигателей и других применений, требующих герметичности. Для повышения износостойкости содержание фосфора часто увеличивают до 0,50% и выше, как в автомобильных поршневых кольцах. На этом уровне фосфор также улучшает текучесть чугуна и увеличивает жесткость конечной отливки.

Медь и никель ведут себя в чугуне аналогичным образом. Они укрепляют матрицу и уменьшают склонность к образованию твердых краев на отливках. Поскольку они являются мягкими графитизаторами, ими часто заменяют часть кремния в сером чугуне. Аустенитный серый чугун можно получить, увеличив содержание никеля примерно до 15 процентов вместе с примерно 6 процентами меди или до 20 процентов без меди, как показано в Спецификации ASTM для отливок из аустенитного серого чугуна (A 436-63).

Хром обычно присутствует в количествах ниже 0.10 процентов в качестве остаточного элемента, перенесенного из шихтовых материалов. Хром часто добавляют для повышения твердости и прочности серого чугуна, и для этой цели уровень хрома повышают до 0,20–0,35 процента. За пределами этого диапазона необходимо добавить графитизатор , чтобы избежать образования карбидов и твердых кромок. Хром улучшает свойства серого чугуна при повышенных температурах.

Одним из наиболее широко используемых легирующих элементов с целью повышения прочности является молибден.Его добавляют в количестве от 0,20 до 0,75 процента, хотя наиболее распространенный диапазон составляет от 0,35 до 0,55 процента. Наилучшие результаты получаются при содержании фосфора менее 0,10%, так как молибден образует с фосфором сложную эвтектику и, таким образом, снижает его легирующее действие. Молибден широко используется для улучшения свойств серого чугуна при повышенных температурах. Поскольку модуль упругости молибдена достаточно высок, добавки молибдена к серому чугуну увеличивают его модуль упругости.

Ванадий действует на серый чугун так же, как и молибден, но его концентрация не должна превышать 0.15 процентов, если карбидов следует избегать. Даже в таких малых количествах ванадий благотворно влияет на свойства серого чугуна при повышенных температурах.

О благотворном влиянии относительно небольших добавок олова (менее 0,10 процента) на стабильность перлита в сером чугуне сообщил Дэвис и др. [11]. О результатах широкого использования олова в автомобильных двигателях сообщили Таш и Кейдж[12]. Его использование особенно полезно в сложных отливках, в которых некоторые участки охлаждаются довольно медленно в температурном интервале Ar3.Было обнаружено, что добавки до 0,05% сурьмы имеют аналогичный эффект. В больших количествах эти элементы, как правило, снижают ударную вязкость и ударную вязкость серого чугуна, поэтому необходим строгий контроль за их использованием.

Хотя большинство серых чугунов содержат некоторое количество титана, и влияние титана на механические свойства исследовалось много раз, только недавно Сиссенер и Эрикссон [13] сообщили о влиянии титана, восстановленного из титансодержащего шлака в электрической дуге. печь.При содержании титана от 0,15 до 0,20% чешуйки графита имеют тенденцию встречаться в виде графита типа D, а не преимущественно типа А, что обычно считается желательным. Они обнаружили, что для железа с углеродным эквивалентом менее примерно 3,9 процента добавление титана имеет тенденцию к снижению прочности на разрыв. но для железа с более высоким углеродным эквивалентом прочность на растяжение улучшается. Увеличение содержания титана в сером чугуне примерно с 0,05 до 0,14 процента за счет использования титансодержащего чугуна увеличило прочность заэвтектического чугуна в испытательном стержне А ASTM Спецификации A 48 (7/8 дюйма).диаметр) от 22 000 до 34 000 фунтов на квадратный дюйм. Дальнейшая работа ведется с добавками титана.

Обычно. азот не считается легирующим элементом и обычно встречается в сером чугуне в результате нахождения в шихтовых материалах. Моррог [14] сообщил, что при более высоких уровнях азота чешуйки графита становятся короче, а прочность железа повышается. Серый чугун обычно содержит от 20 до 92 частей на миллион (от 0,002 до 0,008 процента) азота. Если содержание азота приближается или превышает 100 частей на миллион, может возникнуть нарушение целостности, если содержание титана недостаточно для соединения с азотом.

Влияние размера сечения на конструкцию

Считается, что все литые металлы чувствительны к сечению. По мере увеличения размера раздела. скорость затвердевания снижается с сопутствующим увеличением размера зерна и последующим снижением прочности на растяжение. Влияние скорости замерзания на прочность и твердость более выражено в сером чугуне, чем в других литых металлах. Это результат механизма затвердевания. Для доэвтектического железа первой фазой, которая отделяется при охлаждении, является аустенит в форме дендритов при температуре ликвидуса.По мере охлаждения аустенитные дендриты растут, а оставшаяся жидкость обогащается углеродом до тех пор, пока не будет достигнут эвтектический состав 4,3% углеродного эквивалента. Это происходит при температуре приблизительно 2092°F в зависимости от содержания кремния. При этой температуре одновременно осаждаются эвтектический аустенит и графит в виде чешуек.

Отложение аустенита-графита происходит в ряде центров или зародышей, и они увеличиваются в размерах до тех пор, пока вся жидкость не исчезнет, ​​создавая структуру клеточного типа.В течение этого периода роста клеток фосфор отбрасывается к границам клеток и замерзает в виде эвтектики при температуре около 1792 ° F. Наличие фосфора в границах клеток позволяет четко выявить их при травлении реактивом Стеда. Показано, что чешуйки графита растут только в границах ячейки и связаны между собой. Размер клеток зависит от степени зародышеобразования железа и скорости замораживания. Оно будет варьироваться от 500 до 25 000 клеток на квадратный дюйм.

Поскольку графит имеет гораздо меньшую плотность, чем железо, нормальное сжатие, которое будет происходить, когда железо переходит из жидкого состояния в твердое, полностью компенсируется образованием графита. Для чугуна с обозначением ASTM A 48, класс 30B усадка практически отсутствует, поэтому можно легко производить качественные отливки при условии, что литейная форма имеет достаточную жесткость. Структура графита, наблюдаемая в сером чугуне, полностью сформировалась к моменту затвердевания чугуна. При дальнейшем охлаждении на графитовых чешуйках осаждается некоторое количество дополнительного углерода до тех пор, пока не будет достигнута температура Ar3.В результате высокого содержания кремния в сером чугуне превращение аустенита в перлит и феррит не происходит при фиксированной температуре, а происходит в диапазоне температур, называемом «перлитным интервалом», и полностью объяснено Бойлсом [15]. Поскольку присутствие кремния делает карбид железа нестабильным, доля феррита и перлита в матрице после завершения превращения будет зависеть от скорости охлаждения в этом диапазоне температур. Для тяжелых профилей и высокого содержания кремния матрица может быть полностью ферритной.

Тип, форму и размер чешуек графита можно определить, следуя процедуре, описанной в ASTM Методе оценки микроструктуры графита в чугунных отливках (A 247-67). Поскольку графит является относительно мягким материалом, необходимо соблюдать особую осторожность при подготовке образца для металлографического исследования. Если это сделать неправильно, истинная форма графита может быть скрыта искаженным металлом, который течет по графиту. Только после нескольких операций травления и полировки будет обнаружено истинное изображение графита.

Процессы литья

Для производства отливок из серого чугуна используется несколько процессов формования. Некоторые из них оказывают заметное влияние на структуру и свойства получаемой отливки. Выбор конкретного процесса зависит от ряда факторов, и во многом это связано с конструкцией отливки. Процессы с использованием песка в качестве формовочной среды оказывают примерно одинаковое влияние на скорость затвердевания отливки, в то время как процесс постоянной формы оказывает очень заметное влияние на структуру и свойства.

Формование из сырого песка часто является наиболее экономичным методом производства отливок. До появления литья под высоким давлением и очень жесткого оборудования для опоки точность размеров не была такой хорошей, как можно получить при литье в оболочку. Если сырые песчаные формы недостаточно твердые или прочные, во время затвердевания может иметь место некоторое смещение стенок формы, что приводит к возникновению усадочных дефектов. Хотя отливки массой до 1000 фунтов и более можно производить из сырого песка, обычно он используется для отливок средних и малых размеров.Для более крупных отливок поверхности формы иногда опрыскивают смесью для чернения и сушат кожу, чтобы получить более чистую поверхность отливки. Эта процедура часто используется на блоках двигателя.

Чтобы выдерживать более высокие ферростатические давления, возникающие при заливке более крупных отливок; часто используются сухие песчаные формы. В некоторых случаях используется тот же песок, который используется для формования из сырого песка, хотя обычной практикой является добавление другого связующего для увеличения прочности в сухом состоянии.

Процесс формования оболочков также используется для изготовления стержней, которые используются в других типах форм, помимо оболочковых.Его основное преимущество заключается в способности упрочнять форму или стержень при контакте с нагретым металлическим шаблоном, что повышает точность изготовления стержня или формы. Помимо повышенной точности, отливка получается гораздо более чистой, чем при любом другом высокопроизводительном процессе. Хотя методы и связующие для горячего ящика и новейших процессов холодного ящика отличаются от тех, которые используются для процесса формования оболочки, принцип аналогичен тому, что сердцевина затвердевает при контакте с рисунком.

Центробежное литье чугуна в водоохлаждаемые металлические формы широко применяется в трубной промышленности, а также в некоторых других областях. С песком или другим огнеупорным покрытием металлических форм этот процесс используется для изготовления больших гильз цилиндров.

Для некоторых типов отливок процесс постоянной формы является очень удовлетворительным, и его возможности были описаны Фраем[16]. Поскольку скорость охлаждения или замерзания чугуна, отлитого в постоянные формы, довольно высока, более тонкие участки отливки будут иметь цементит.Чтобы удалить цементит, отливки должны быть отожжены, и общепринятой практикой является отжиг всех отливок. Наиболее экономичным составом чугуна для литья в постоянные формы является заэвтектический. Этот тип железа расширяется при затвердевании, и, поскольку формы очень жесткие, давление, возникающее при отделении графита во время замораживания эвтектики, обеспечивает герметичную отливку. Поскольку графит встречается преимущественно в виде графита типа D с очень маленькими чешуйками, отливки в постоянные формы могут иметь очень чистую отделку.По этой причине он находит широкое применение при изготовлении клапанных тарелок для холодильных компрессоров. Этот процесс также идеально подходит для таких компонентов, как автомобильные тормозные цилиндры и корпуса гидравлических клапанов. Хотя преимущественно графитовая структура типа D в постоянных литейных формах с ферритовой матрицей имеет гораздо более высокую прочность, чем отливки в песчаные формы с сопоставимым содержанием графита, эта структура не считается идеальной для применений с пограничной смазкой. Однако отливки очень хорошо работают в масляной ванне.

Если не желательны какие-либо особые свойства, которые достигаются только с помощью определенного процесса литья, обычно выбираемый метод позволяет получать отливки с наименьшими затратами на готовую деталь.

Дизайн литья

Существует ряд требований, которые должны быть выполнены, прежде чем конструкция отливки может считаться полностью удовлетворительной. В некоторых отношениях конструкция отливки для серого чугуна несколько проще, чем для любого другого литейного металла, поскольку усадка при затвердевании минимальна, а для более мягких марок вообще отсутствует .За некоторыми исключениями, не следует уделять особого внимания проблеме подачи металла в более тяжелые секции. Усадка модельеров также низкая. Низкие характеристики усадки способствуют отсутствию горячих разрывов, характерных для некоторых других литейных металлов. Эти факторы предоставляют инженеру большую свободу проектирования.

Хотя отливка должна быть спроектирована таким образом, чтобы выдерживать воздействующие на нее нагрузки, во многих случаях прогиб под нагрузкой имеет первостепенное значение для обеспечения надлежащего выравнивания компонентов под нагрузкой.Существует ряд справочников, содержащих информацию, полезную для инженера-конструктора[17-19]. Однако внешний вид многих отливок свидетельствует о том, что на дизайнера чрезмерно повлияли характеристики плоских пластин и других кованых форм. Похоже, что он не может или не может использовать конические секции, галтели с большим радиусом и секции переменной толщины, которые легко получить при отливке. Вместо чистой конструкции отливка представляет собой нагромождение пластин, ребер, бобышек и небольших радиусов.Из-за низкого уровня относительного удлинения серого чугуна единственным удовлетворительным методом определения уровня напряжений в отливке под нагрузкой является использование тензорезисторов СР-4. Без надлежащего анализа напряжений первая тенденция состоит в том, чтобы «усилить» секцию, в которой произошел отказ. Грот [20] показал, что такой подход не приводит к лучшему дизайну и часто ухудшает состояние.

Метод формования должен быть определен до того, как будет достигнута окончательная конструкция отливки.Если отливка имеет внутренние стержни, они должны иметь какие-либо средства поддержки, и они должны быть предусмотрены в конструкции. При использовании методов формования, позволяющих лучше контролировать точность размеров, часто можно уменьшить толщину сечения. По мере уменьшения толщины сечения и соответствующего ускорения скорости охлаждения прочность на единицу площади поперечного сечения увеличивается. Как правило, уменьшение сечения отливки на 50 процентов приводит к уменьшению прочности сечения чуть менее чем на 40 процентов.Если отливки имеют сложные узлы сердечника, такие как головки цилиндров дизельных двигателей, необходимо принять меры для удаления песка из каналов сердечника и обеспечения возможности осмотра.

В связи с растущей тенденцией к более высоким скоростям обработки и скорости съема металла необходимо подумать о том, каким образом удерживается отливка во время операции обработки, чтобы высокое давление зажима не деформировало деталь. Кроме того, в конструкции должны быть предусмотрены легко обслуживаемые установочные точки.Затвор не следует размещать в точке позиционирования, потому что при шлифовке соединения в чистовой операции можно ожидать некоторого изменения количества удаляемого металла.

Механические свойства серого чугуна зависят от скорости охлаждения. Необходимо проявлять некоторую осторожность, избегая экстремальных диапазонов толщины срезов, иначе на краях тонких срезов будут обнаружены жесткие края, а на толстых срезах будет слишком низкая твердость. Может быть желательно увеличить толщину самых легких участков, чтобы избежать этого состояния.Иногда может быть полезен буртик вдоль внешних краев фланца. Если отливку предполагается использовать в условиях, когда вибрация является проблемой, необходимо учитывать демпфирующую способность отливки. Хотя серый чугун обладает довольно высокой демпфирующей способностью, следует также учитывать конструкцию отливки, чтобы избежать резонанса. Следует избегать или укреплять небольшие придатки на отливках, чтобы избежать ненужных поломок при обработке, отделке и дробеструйных операциях. Несмотря на то, что в течение последних 10 лет теме проектирования отливок уделялось большое внимание, в области проектирования отливок из серого чугуна необходимо сделать гораздо больше.

Механические свойства серого чугуна

Свойства, представляющие основной интерес для проектировщика и пользователя отливок: износостойкость; твердость; прочность; и, во многих случаях, модуль упругости. Некоторые взаимосвязи между этими свойствами для серого чугуна совершенно разные по сравнению со сталью. Различное соотношение между твердостью и пределом прочности при растяжении в сером чугуне, по-видимому, сбивает с толку инженера, хотя большая часть его опыта могла быть связана с другими металлами.

Превосходные характеристики серого чугуна в приложениях, связанных с поверхностями скольжения, такими как направляющие станков, отверстия цилиндров и поршневые кольца, хорошо известны. Производительность двигателей внутреннего сгорания и станков замечательна, если учесть простоту обработки серого чугуна. Серый чугун также известен своей устойчивостью к истиранию и заеданию. Этому поведению было дано множество объяснений, например, смазывающий эффект графитовых чешуек и удержание масла в графитовых областях.Очень вероятно, что это так, но также возможно, что графитовые чешуйки допускают некоторую незначительную аккомодацию перлитной матрицы в областях контакта между сопрягаемыми поверхностями. Редко удается добиться идеальной посадки, и, как правило, выступы на сопрягаемых металлических поверхностях могут привести к высокому единичному давлению, вызывающему заедание.

Испытание на твердость по Бринеллю чаще всего используется для серого чугуна, и, когда это возможно, предпочтение отдается шарику диаметром 10 мм и нагрузке 3000 кг. Если толщина секции или площадь, подлежащая испытанию, не выдерживает нагрузки 3 000 кг, часто используется нагрузка 1 500 кг.Значения твердости, полученные при более низкой нагрузке, могут заметно отличаться от значений, полученных при более высокой нагрузке, и эта возможность указана в тесте ASTM на твердость металлических материалов по Бринеллю (E 10-66). Для серого чугуна разница в значениях твердости может достигать 35 BHN, а если разница и существует, то она всегда меньше для более низкой нагрузки. Поскольку в большинстве случаев испытание на твердость по Бринеллю можно считать неразрушающим испытанием, твердость по Бринеллю используется как показатель обрабатываемости, износостойкости и прочности на разрыв.Для легких деталей, таких как поршневые кольца и другие легкие отливки с небольшим размером графита, испытание на твердость по Роквеллу часто является удовлетворительным.

Испытание на твердость по Бринеллю на самом деле является специализированным испытанием на сжатие и измеряет комбинированный эффект твердости матрицы, конфигурации графита и объема графита. Твердость по Бринеллю серого чугуна с полностью перлитной матрицей может варьироваться от 148 до более 277 в зависимости от крупности перлита и, в большей степени, от объема присутствующего графита.В этом диапазоне твердости фактическая твердость перлита может варьироваться от примерно 241 до более чем 400 твердости по Кнупу, как определено измерениями микротвердости.

Практически все спецификации и стандарты для серого чугуна классифицируют его по прочности на растяжение. Прочность на растяжение серого чугуна для данной скорости охлаждения или размера сечения очень сильно зависит от количества графита в чугуне. Значение углеродного эквивалента для железа даст близкое приближение к количеству присутствующего графита.На прочность при растяжении также очень сильно влияет скорость охлаждения, особенно через интервал эвтектического затвердевания, и обычно она связана с размером сечения. Признавая влияние размера сечения на прочность, Спецификация ASTM A 48 не только классифицирует железо по прочности, но также требует выбора размера испытательного стержня, в котором должна быть получена прочность.

Большинство покупателей отливок из серого чугуна полагаются на тест на твердость по Бринеллю, чтобы определить, соответствует ли отливка спецификациям.Переменное соотношение между твердостью по Бринеллю и пределом прочности на растяжение для серого чугуна сбивает с толку инженеров-материаловедов, которые привыкли к фиксированному соотношению твердости по Бринеллю и пределу прочности на растяжение для кованой стали, равному примерно 492. Для серого чугуна это соотношение будет варьироваться от минимального до от 140 для низкопрочного чугуна до более 250 для серого чугуна с пределом прочности на разрыв более 60 000 фунтов на квадратный дюйм. Признавая широкое использование критерия твердости по Бринеллю для оценки прочности чугуна в отливке, Отдел 9 Технического комитета по черной металлургии (ISTC) Общества автомобильных инженеров находится в процессе пересмотра SAE J431 a.Серый чугун для автомобильных отливок, в которых отливки из серого чугуна соответствуют различным уровням прочности, будет иметь минимальную твердость по Бринеллю.

Было опубликовано множество статей, посвященных вопросу корреляции твердости по Бринеллю с пределом прочности при растяжении. Вероятно, самый обширный отчет был подготовлен Маккензи[21] на основе данных, полученных для «Отчета о воздействии» для Комитета ASTM A-3 (теперь A-4). Его отчет был широко опубликован и показал значительный разброс. Он чувствовал, что некоторый разброс мог быть результатом того, как проводились измерения твердости по Бринеллю.Когда он выбрал данные, полученные с плеч образцов для испытаний на растяжение, корреляция была намного лучше.

Многие пользователи, и особенно инженеры, критически относятся к свойствам литого металла, полученного из испытательных стержней. Ситуация с серым чугуном сильно отличается от ситуации с другими литыми металлами. В то время как для других черных металлов, особенно стали и чугуна с шаровидным графитом, используются испытательные стержни с необычно высоким отношением высоты к испытательному стержню, совершенно отличным от отношения, используемого для промышленного литья, испытательные стержни для серого чугуна представляют собой довольно простые отливки и имеют ворота, очень похожие на промышленные. отливки.Это можно сделать, поскольку в сером чугуне усадка либо очень мала, либо отсутствует. Тщательные исследования показали, что если испытательный стержень имеет ту же термическую историю, что и участок рассматриваемой отливки, твердость и предел прочности при растяжении будут одинаковыми. В отливке с различными размерами сечения свойства отливки будут одинаковыми только при одинаковых скоростях затвердевания и охлаждения. Прочность на разрыв в других частях отливки можно предсказать, если определить твердость по Бринеллю.

Поскольку было легче оценить влияние размера сечения и состава серого чугуна в цилиндрических отливках, это было сделано в трех литейных цехах из 150 ковшей обычного производства, отлитых в прутки диаметром от s/s до 6 дюймов. Формы были аналогичны тем, которые использовались для коммерческого литья. Размеры слитков были следующие:

Хотя отливки производились в нормальных производственных условиях, все этапы операций наблюдались более тщательно, чем обычно. Все испытания проводились в исследовательской лаборатории с надлежащим образом откалиброванным оборудованием и квалифицированными операторами.Размеры образцов для испытаний на растяжение соответствовали спецификации ASTM A 48. Образцы для испытаний на растяжение были обработаны от центра отливки для всех размеров и, кроме того, были обработаны с позиции около 3/4 дюйма снаружи для 4 и 6-дюймовые отливки.

Диаметр, В Длина, В
5/8 8
7/8 15
1,2 21
2 и 3 10
4 6
6 18

 

Образцы для испытаний на растяжение имели уменьшенный диаметр сечения 0.75 дюймов, за исключением испытательного образца из 7/8-дюймового. отливка диаметром 0,5 дюйма в уменьшенном сечении. Испытания на твердость по Бринеллю проводились с нагрузкой 3000 кг и шариком диаметром 10 мм. Измерения твердости проводились на поперечном сечении отливки, соответствующем положению, из которого был взят образец для испытания на растяжение.

Foundry F обычно производит отливки легкой и средней массы, такие как головки и корпуса небольших компрессоров, отливки компонентов кондиционеров, обычные корпуса клапанов и давлений, коллекторы и другие типы автомобильных отливок.Поскольку размеры секций редко превышают 1 дюйм, испытания ограничиваются 7/8 и 1,2 дюйма. бары. Некоторые виды железа легированы одним или несколькими элементами (медью, хромом и молибденом) в небольших или умеренных количествах. Данные показаны на рис. 1. Также показана предлагаемая минимальная твердость по Бринеллю, рассматриваемая комитетом SAE Division 9 ISTC. Только за двумя исключениями все значения выше линии.

Foundry S — литейное производство, специализирующееся на производстве блоков и головок дизельных и бензиновых двигателей для грузовых и морских судов, а также сопутствующих товаров, таких как маховики, коллекторы, картеры трансмиссии и картеры сцепления.Поскольку изготавливаются более тяжелые профили, чем в литейном цехе F, отливают пробные отливки диаметром до 4 дюймов. Полученные данные представлены на рис. 2. Легированные чугуны имеют более высокий уровень прочности. Обратите внимание, что образцы для испытаний, вырезанные вблизи внешней поверхности стержней диаметром 4 дюйма, демонстрируют более высокую прочность при заданной твердости, чем образцы для испытаний, вырезанные из центра стержня диаметром 4 дюйма. бары. Как правило, это результат большего размера чешуек графита в центре стержня. Также обратите внимание, что все значения выше линии SAE.

Литейный завод

W производит средние и тяжелые отливки для больших компрессоров газопроводов, двигателей, насосов, маховиков и сопутствующих изделий с сечением до 4 дюймов. На этом литейном заводе отливается весь диапазон размеров испытательных стержней. Полученные данные представлены на рис. 3. Разброс значений становится несколько больше при более высоких уровнях прочности. Обратите внимание, что модифицированное железо имеет более высокую прочность, чем прутки из базового железа, что объясняет увеличение диапазона прочности на растяжение для данной твердости.Некоторые значения предела прочности при растяжении, находящиеся ниже линии SAE, относятся к центру участков диаметром 6 дюймов и имеют довольно большой размер чешуек графита.

Некоторые пользователи отливок указывают минимальную прочность на растяжение в определенном месте отливки. Это особенно верно для таких отливок, как корпуса гидравлических насосов, цилиндры высоконагруженных дизельных двигателей, поршни и головки, а также другие отливки, подвергающиеся высоким нагрузкам. Данные, полученные для производственных отливок, показаны на рис. 4. Также на этом рисунке для сравнения показаны данные, полученные для образцов для испытаний на растяжение, вырезанных из отожженных отливок в постоянные формы.Эти отливки будут иметь заэвтектический состав с графитом типа D и ферритной матрицей. Эти утюги имеют более высокую прочность при заданной твердости, чем утюги, отлитые в песок.

Кривые, показывающие минимальную твердость по Бринеллю для заданного предела прочности на растяжение для представленных чугунов, вместе с данными Маккензи и Кейна, показаны на рис. 5. Кривые хорошо согласуются, за исключением минимальных значений, указанных Маккензи. Вполне возможно, что чугуны для литейных цехов F, S и W имели более высокую концентрацию остаточных легирующих элементов, что, как правило, сохраняло перлитную матрицу с соответственно более высокой прочностью.

Иногда необходимо изготовить из отливки образцы для испытаний на растяжение с уменьшенным сечением диаметром 0,357 дюйма, поскольку форма отливки не позволяет изготовить образец большего размера. Некоторые пользователи литья подняли вопрос о надежности образцов меньшего размера. В течение нескольких лет из одной и той же отливки были взяты образцы нескольких размеров, и было обнаружено, что при тщательной обработке результаты являются надежными. Данные на рис. 6 являются репрезентативными и были получены для небольшого автомобильного диска сцепления.Данные по твердости и пределу прочности на растяжение для этой отливки показывают, что 5/8-дюйм. пластина имеет скорость охлаждения, аналогичную 1,2-дюймовому. тестовая полоса.

При попытке предсказать предел прочности при растяжении отливки по Бринеллю учитывается больше факторов, чем просто толщина сечения. Для участков, от которых поток тепла во время охлаждения беспрепятственный, может быть установлено очень хорошее соотношение между твердостью и пределом прочности при растяжении. Для более сложных отливок, таких как головки цилиндров дизельных двигателей, имеющие много каналов с сердечником, схема охлаждения может быть сложной.Секция внутри головки может замерзнуть довольно быстро, но после прохождения эвтектического температурного интервала происходит накопление тепла, и секция может охлаждаться больше, чем простая секция в два-четыре раза толще. Для таких случаев необходимо разработать корреляцию для каждого типа литья.

Сталь

демонстрирует довольно незначительное влияние прочности на растяжение и твердости на модуль упругости, поскольку он в основном находится в диапазоне от 29 000 000 до 30 000 000 фунтов на квадратный дюйм. Для серого чугуна модуль упругости зависит не только от прочности на растяжение, но и от уровня напряжения.В результате этих факторов модуль упругости будет варьироваться от примерно 12 000 000 фунтов на квадратный дюйм для очень мягкого железа до более 20 000 000 фунтов на квадратный дюйм для высокопрочного железа. Кривая напряжения-деформации для серого чугуна при растяжении представляет собой почти кривую линию от начала координат. Об этом сообщали многие исследователи, и Моррог [14], сообщая о некоторых работах Гилберта, предполагает, что кривая является результатом некоторых изменений объема в пространствах, занятых графитом. Они также показали, что между чешуйками происходит некоторое микротрещинование.Некоторые исследователи использовали измерения резонансной частоты, а также измерения скорости звука, которые зависят от модуля упругости, для прогнозирования прочности на растяжение.

В станкостроении и других устройствах, где требуется максимальная жесткость конструкции, желателен высокий модуль упругости. Существуют и другие области применения, особенно связанные с термической усталостью, для которых требуется низкий модуль упругости, чтобы свести к минимуму увеличение уровней напряжения, связанное с расширением в результате повышения температуры в рабочих условиях.Примером такой ситуации являются тормозные барабаны для тяжелых условий эксплуатации. Было обнаружено, что железо с довольно высоким содержанием углерода (от 3,60 до 3,92 процента) будет служить лучше, чем железо с более низким содержанием углерода. Железо с более высоким содержанием углерода почти всегда имеет более низкий модуль упругости. К сожалению. прочность на растяжение таких высокоуглеродистых утюгов обычно низкая. и возникает необходимость добавления сплава для укрепления матрицы.

Инженеры-материаловеды часто рассматривают процентное удлинение, полученное при испытаниях на растяжение, как меру пластичности материала.С этой концепцией. серый чугун нельзя считать пластичным.

Тем не менее. серый чугун в виде промышленных отливок удовлетворительно выдерживает значительную умеренную ударную нагрузку. При тщательном контроле плавки и выборе сырья Колло и Тим [10] сообщили о чугунах с 2,4-процентным удлинением при разрушении под нагрузкой, а за счет ферритизации такого железа получили 5,4-процентное удлинение. Серые чугуны с одинаковой прочностью на растяжение могут показывать разницу в 50 процентов в отношении энергии разрушения, поглощаемой при ударной нагрузке.Хотя считается, что серый чугун не чувствителен к надрезам, это, скорее всего, является результатом того, что он достаточно хорошо пропитан надрезами в виде графитовых чешуек, так что наличие еще одной надрезы не оказывает существенного влияния на поведение при ударе.

Термическая обработка серого чугуна

Хотя большинство отливок из серого чугуна используются в литом состоянии, серый чугун подвергается термообработке по целому ряду причин, таких как снятие остаточных напряжений, улучшение обрабатываемости, повышение твердости поверхности либо за счет индукционной закалки, либо закалки пламенем. или закалить всю секцию с помощью закалки в масле и обработки вытягиванием.Рекомендуемая практика такой термообработки и полученные результаты можно найти в справочниках по чугуну, в частности, в ASM Metals Handbook[22]. Структура графита не может быть изменена термической обработкой. хотя графит может увеличиться в объеме, если перлитное железо полностью ферритизировано, и в этом случае графит обычно откладывается на первоначально присутствующих чешуйках. Однако матрица очень чувствительна к термической обработке, как и в случае со сталью.

Термическая обработка для снятия напряжения обычно проводится в диапазоне температур от 1000 до 1100°F.Ниже 950°F снятие напряжений происходит довольно медленно, в то время как при температурах выше 1100°F может наблюдаться некоторая потеря прочности, особенно в нелегированных чугунах, обозначение ASTM A 48. Класс 35B и более мягких. Термическая обработка для снятия напряжения может применяться для улучшения размерной стабильности обработанных отливок и требуется для деталей, работающих под давлением, работающих при температуре от 450 ° F до 650 ° F, в соответствии со спецификациями ASTM для отливок из серого чугуна для деталей, работающих под давлением, для температур до до 650°F (А 278-64).Скорости нагрева и охлаждения для такой термообработки обычно ограничены 400 F/ч на дюйм толщины. Это особенно важно при нагреве, так как остаточные напряжения в отливке могут возрасти в результате теплового расширения различных частей отливки.

Небольшие отливки, такие как детали холодильного компрессора, часто подвергаются отжигу для снятия напряжения, чтобы сохранить очень малые рабочие зазоры в готовом компрессоре. Если возникают трудности с остаточными напряжениями в готовых обработанных деталях, желательно оценивать уровень внутренних напряжений после каждой операции механической обработки.Отливки иногда имеют более низкий уровень внутренних напряжений, поскольку они возникают в результате операции формования оболочки, чем в любой другой момент процесса. Такие отливки, подвергнутые отжигу для снятия напряжений, а затем подвергнутые дробеструйной или дробеструйной очистке, покажут повышение уровня напряжения. При отжиге больших отливок для снятия напряжения желательно прикреплять к отливке термопары, чтобы не допустить слишком больших перепадов температур. Отливка может сломаться при нагревании, если не будут приняты меры предосторожности.

Чугунный стол шириной 4 фута и длиной 6 футов треснул во время термообработки для снятия напряжения. Хотя термопара управления печью показала одинаковую скорость нагрева в рекомендуемых пределах, термопары в различных местах отливки показали разницу температур в 300°F. Другой стол такой же конструкции располагался снаружи печи с термопарами и тензодатчиками, чтобы можно было воспроизвести разницу температур. Было обнаружено, что при этой разнице температур в критических зонах достигаются растягивающие напряжения 9200 фунтов на квадратный дюйм.

Отжиг для улучшения обрабатываемости проводится в двух температурных диапазонах. Если основной целью является просто снижение твердости до некоторого более низкого уровня и отсутствие карбидов, обычно используются температуры от 1250 до 1450 °F в зависимости от желаемого снижения твердости. Если отливки содержат цементит или карбиды, необходимо нагреть их до температуры от 1650 до 1725 °F, чтобы разрушить такие карбиды.

Серый чугун можно успешно упрочнить пламенным или индукционным нагревом.Матрица железа должна быть перлитной. Также желательно поддерживать кремний на минимально возможном уровне, обычно ниже 1,75%. По мере увеличения содержания кремния в сером чугуне не только повышается температура Ac3, но и встречается двухфазное поле феррита и аустенита. Удовлетворительная твердость не будет получена при нагреве железа в этом диапазоне температур. Более высокие температуры аустенизации, необходимые для чугунов с более высоким содержанием кремния, также увеличивают вероятность растрескивания во время цикла закалки.Желаемую твердость принято указывать по шкале Роквелла по шкале С, хотя измерения твердости проводились с помощью склероскопа. Прямое измерение с помощью теста на твердость по Роквеллу с использованием шкалы C неудовлетворительно, так как присутствие графитовых чешуек в твердой матрице приводит к отслаиванию или разрушению вокруг индентора, что дает низкие значения.

Для таких деталей, как гильзы цилиндров, закалка путем аустенизации и закалки в масле с последующей вытяжкой для придания желаемой твердости значительно улучшает характеристики гильзы.Есть много областей применения, для которых этот тип термообработки больше подходит, чем пламенная или индукционная закалка.

Механическая обработка серого чугуна

Из черных металлов, широко используемых в строительстве, серый чугун для данного уровня твердости является одним из наиболее легко поддающихся механической обработке. Серый чугун подходит для свободной резки, поскольку стружка имеет небольшой размер и легко удаляется из зоны резания. Кроме того, сколы, портящие готовую поверхность, не вызывают особых затруднений.Свободное резание является результатом беспорядочно распределенных чешуек графита, которые нарушают целостность матрицы. Хотя серый чугун очень успешно обрабатывается без охлаждающих жидкостей, они могут оказаться необходимыми, если желательны высокие скорости обработки и жесткие допуски. СОЖ не только помогает удалять стружку, но и регулирует температуру отливки, что необходимо для работы с жесткими допусками.

Несмотря на хорошую обрабатываемость серого чугуна, встречаются различные проблемы обработки, такие как твердые края, снижение срока службы инструмента, невозможность получить удовлетворительно гладкую поверхность и трудности с соблюдением требуемых допусков на размеры.Некоторые из этих проблем являются результатом выбора неподходящей марки чугуна, недостатков конструкции отливки или неправильных процедур механической обработки. Рекомендуемые оснастка, скорости, подачи и глубины резания для серого чугуна различных классов прочности и для различных видов механической обработки легко найти в ряде справочников [3, 5, 23, 24] и здесь обсуждаться не будут.

Поскольку многие отливки приобретаются в соответствии со спецификацией ASTM A 48, твердость будет варьироваться в зависимости от указанного класса прочности.Для отливок, постоянно близких к верхнему пределу твердости, может потребоваться снижение скорости поверхностного резания для получения удовлетворительной стойкости инструмента по сравнению с отливками, близкими к нижнему пределу твердости. Чугун нормального состава для производимого типа отливки может затвердевать с пятнистой или закаленной структурой железа, если превышена критическая скорость охлаждения. Такое состояние может возникнуть из-за ребра на отливке или, если отливка имеет широкий диапазон размеров сечения, литейщик может прибегнуть к добавкам необычно тяжелых сплавов, чтобы сохранить твердость в тяжелом сечении, что приведет к получению чугуна. быть слишком сложным для более легких разделов.Столкновение с такими твердыми участками очень часто приводит к поломке инструмента или достаточному повреждению режущей кромки, что мешает последующим удовлетворительным операциям обработки. Иногда можно изменить конструкцию отливки, чтобы избежать образования закаленных краев, или изменить литейную практику, переместив заслонки или используя различные виды стоков для замедления скорости затвердевания проблемной зоны. Благодаря правильному использованию модификаторов литейное производство может значительно уменьшить количество острых кромок.Уолц [25] указывает, что литейный завод во время проверки может проверить отсутствие острых краев с помощью довольно простого теста напильником и, таким образом, избежать повреждения дорогого инструмента. При надлежащем контроле качества и процедурах проверки появление твердых и охлажденных кромок и выступов должно быть незначительным.

Внезапный выход из строя резца не всегда был результатом столкновения с крапчатым или закаленным железом. Расследование поломки фрезы с большим торцевым вставным зубом показало, что причиной поломки стал тяжелый обезуглероженный слой феррита.Отливки были отожжены до низкого уровня твердости, максимум 121 BHN, и при этом был получен толстый ферритовый слой, свободный от графита. Этот материал был скорее очень прочным, чем твердым, но он останавливал фрезу, что приводило к выкрашиванию твердосплавных зубьев.

Поскольку такая обезуглероженная поверхность не содержит графитовых чешуек, блестящая и яркая отделка создаст впечатление твердости. Недостаточная очистка отливки или наличие пригара в песке может привести к преждевременному выходу инструмента из строя.Златин [26] сообщил, что если такое условие встречается, может быть необходимо уменьшить скорость обработки до половины скорости, используемой для последующих проходов, если необходимо получить удовлетворительный срок службы инструмента.

Дефект обработанной поверхности, иногда встречающийся в отверстиях цилиндров, направляющих и направляющих станков, а также на других поверхностях, требующих чистовой обработки с низким среднеквадратичным значением, называется поверхностью с ямками или открытой зернистостью. Железо со слишком высоким содержанием углерода для рассматриваемого сечения и которое обычно имеет длинные графитовые чешуйки, может привести к тому, что частицы железа будут вырваны во время черновой обработки, в результате чего останется недостаточный припуск для чистовой обработки.Лэмб [27] утверждает, что минимум 0,010 дюйма должен быть оставлен для чистовой обработки, если требуется гладкая поверхность. Если графитовые чешуйки слишком велики, при нарезании резьбы с рваной резьбой возникнут трудности, и может произойти «прорыв» на краях отливок, таких как отверстия в корпусах гидравлических золотниковых клапанов. Хотя слишком высокое содержание углерода может вызвать этот тип дефекта поверхности, тупые инструменты и слишком тяжелые резы перед чистовой обработкой или операцией хонингования вызовут аналогичный дефект.Филд и Калес [28] обсуждают факторы, влияющие на качество обработанной поверхности, и подчеркивают важность острых режущих инструментов.

В связи с требованием все более жестких допусков для обработанных отливок проблемы с сохранением размеров становятся более частыми. Некоторые из них могут возникать из-за остаточных напряжений в отливке, некоторые из вариаций твердости и количества удаляемой готовой заготовки, а другие – из-за недостатков в операции механической обработки. Всякий раз, когда возникают некруглые отверстия и трудности с сохранением плоскостности обрабатываемых деталей , предполагается, что причиной являются остаточные напряжения в отливке.В зависимости от конструкции определение направления и уровня остаточных напряжений в отливке может быть затруднено и обычно требует разрушения отливки. Для простых цилиндрических деталей наличие остаточных напряжений иногда можно обнаружить, просто сделав надпилы в отливке и измерив изменение ширины разреза. Для более сложных отливок или для более точного измерения остаточных напряжений приходится прибегать к использованию тензорезисторов СР-4. Обычно требуется некоторый метод проб и ошибок для правильного расположения калибров на отливке.Хотя оценка остаточного напряжения отливки после окончательной механической обработки может показать, что такие напряжения ответственны за деформацию, из этого не обязательно следует, что эти напряжения были в исходной отливке. Различные механические операции могут создавать сильные напряжения. Использование слишком твердого круга при шлифовании поверхности может вызвать поверхностные напряжения.

В дополнение к внутренним напряжениям, либо остаточным, либо возникающим во время операции механической обработки, трудности с соблюдением критических размеров могут возникать из других источников.Если отливка подвергается зажимному давлению, которое деформирует отливку в удерживающем приспособлении во время механической обработки, можно ожидать трудностей с удерживающими размерами. Поскольку модуль упругости серого чугуна с пределом прочности на растяжение 30 000 фунтов на квадратный дюйм примерно вдвое меньше, чем у стали, такое же усилие зажима на детали с той же толщиной стенки удвоит деформацию отливки из серого чугуна по сравнению со сталью.

Если обработка выполняется без охлаждающей жидкости, отливка будет нагреваться во время обработки.Корпус подшипника с отверстием диаметром 2-1/2 дюйма и стенкой 3/8 дюйма будет расширяться примерно на 0,0005 дюйма при повышении температуры на 25 ° F. Было обнаружено, что изменение на 1/32 дюйма. в диаметре отверстия отливки с нормальным 3/32 дюйма. удаление припуска приведет к изменению температуры отливки на 25°F. Если настройка инструмента основана на измерениях отливки, когда она выходит из токарного станка, окончательные диаметры отверстия при комнатной температуре будут варьироваться в диапазоне 0,0005 дюйма.

Хотя существуют различия в жесткости станков, всегда происходит некоторый прогиб.Для той же отливки корпуса подшипника, упомянутой выше, было обнаружено, что изменения твердости по Бринеллю повлияли на диаметр готового отверстия. Механический цех ранее классифицировал готовые отверстия по трем диапазонам размеров. Считалось, что эта операция измерения может быть устранена путем уменьшения допусков обработки до «0,00025 дюйма на отверстии диаметром от 2,5 до 3,0 дюймов. Отливки обрабатывали всухую на одношпиндельном автомате. Было сделано два прохода, и инструменты для черновой и чистовой обработки были установлены последовательно на одном держателе.Оператора попросили настроить станок для получения правильного размера и сказали не изменять настройку независимо от диаметра отверстия. И оператор, и инспектор группировали отливки по диаметру отверстия: заниженный, допустимый и завышенный. Образцы из трех групп были подвергнуты интенсивному исследованию, и одним из факторов оказалась твердость, как показано на рис. 7.

Если относительно тонкостенные отливки не отцентрированы должным образом в приспособлении для обработки, с одной стороны будет снято больше припуска, чем с другой, и можно ожидать искривления отверстия.

Будущее серого чугуна

Свойства отливок из серого чугуна почти в такой же степени зависят от литейной практики, как и от металлургии материала. За последние 10 лет был достигнут большой прогресс в улучшении контроля размеров отливок, и наметилась тенденция к использованию более тонких сечений. Эта тенденция будет продолжаться, и введение новых модификаторов с небольшими количествами таких элементов, как церий, кальций, барий и стронций, доказало свою эффективность для получения желаемых свойств в более легких сечениях.Де Си [29] описал поведение кислорода в железе и его связь с практикой прививки.

Разработка и широкое использование процедуры определения значения углеродного эквивалента расплавленного железа в плавильной печи описано Редшоу и Пейном[30] и Кашем[31]. Этот тест позволяет литейщику контролировать состав чугуна в более узких пределах и, таким образом, обеспечивает более однородные свойства отливок.

Добавление небольшого количества олова сыграло важную роль в улучшении свойств серого чугуна в более тяжелых секциях, не создавая проблем с твердостью в более легких секциях.

Хотя твердость по Бринеллю по-прежнему является широко используемым и полезным тестом для оценки прочности серого чугуна, Уолтер [32] описал метод, включающий измерения резонансной частоты для прогнозирования инженерных свойств серого чугуна. Абар и др. [33] описали результаты, полученные в результате аналогичного теста. Картер [34] сообщил об использовании вихретокового прибора в качестве инструмента быстрого контроля для прогнозирования свойств отливок из серого чугуна.

Барто и др. [35] описали результаты литья под давлением чугуна из серого чугуна, которые должны иметь специализированное применение.Экспериментальная работа показала, что определенные типы обработки поверхности формы позволяют отливать гораздо более тонкие участки, чем считалось возможным ранее.

Сложный металлургический состав серого чугуна и влияние довольно небольших количеств второстепенных элементов в железе на характеристики затвердевания серого чугуна привлекли внимание ряда металлургов. Моррог [36] обсудил необходимость лучшего понимания металлургии серого чугуна. Бейтс и Уоллес[37] продемонстрировали влияние небольших количеств микроэлементов на серый чугун и исследовали способы минимизации нежелательного воздействия этих элементов.

Существует необходимость в разработке материалов для литейных форм или обработки поверхности литейных форм, чтобы исключить или свести к минимуму дробеструйную и пескоструйную обработку, которая является дорогостоящей и может привести к возникновению остаточных напряжений в отливках. Состояние ухудшается по мере того, как секции отливки становятся тоньше.

Улучшенные свойства, полученные с использованием высокочистого сырья при производстве серого чугуна, должны стимулировать дальнейшие исследования, особенно в отношении получения большей ударной вязкости. Существует потребность в чугуне класса между обычным серым чугуном и чугуном с шаровидным графитом, при условии, что его можно производить так же легко, как серый чугун.Крупные инвестиции в литейные производства серого чугуна за последние несколько лет свидетельствуют о том, что серый чугун еще какое-то время будет считаться ценным конструкционным материалом.

Каталожные номера:

  • [1] Маккензи. Дж. Т., «Серый чугун-сталь плюс графит», Литейное производство, том 72, № 8, август 1944 г., стр. 86–88, 154; № 9, сентябрь 1944 г., стр. 70-72; № 10, октябрь 1944 г., стр. 86-88.
  • [2] Бойлз, Альфред, Структура чугуна, Американское общество металлов, Metals Park.Огайо, 1947.
  • [3] Справочник по отливкам из серого чугуна, Общество основателей серого и ковкого чугуна, Кливленд, Огайо, 1958.
  • [4] Справочник по металлам ASM, 8-е изд., Vol. я . Американское общество металлов, Metals Park, Огайо, 1961, стр. 349-365.
  • [5] Ангус, Х. Т., Физические и инженерные свойства чугуна, Британская ассоциация исследований чугуна, Бирмингем, Англия. 1960.
  • [6] Справочник по литейным металлам. Американское общество литейщиков.Дес-Плейнс, Иллинойс, 1957 г.
  • [7] Типичные микроструктуры литых металлов. 2-е изд.. Институт британских литейщиков, Лондон, 1966.
  • [8] Wieser, P. F., Bates. CE и Уоллес. Дж. Ф., «Механизм образования графита в сплавах железо-кремний-углерод», Общество ковких основателей, Кливленд, Огайо, I967.
  • [9] Редер, Дж. Э., «Критический диапазон температур в чугунах», Transactions, Американское общество литейщиков, Vol. 73, 1965.стр. 473-487.
  • [10] Колло, А. и Тиме. JC, «Прочность чугуна с чешуйчатым графитом как показатель качества и новые методы повышения прочности»
  • [11] Дэвис. JA, Krause, DE, Lownie, HW, Jr., «Олово как сплав в сером чугуне», Transactions, Американское общество литейщиков, Vol. 65, 1957, стр. 592-597.
  • [12] Тач. А. Дж. и Кейдж Р. М., «Легирование оловом ускоряет производство блоков цилиндров из серого чугуна.Журнал Общества автомобильных инженеров, Vol. 73. № 1, январь 1965 г., стр. 66-69.
  • [13] Сиссенер, Джон и Эрикссон, Джон, «Влияние титана, восстановленного из шлаков, содержащих оксид титана, на механические свойства чугуна», Труды, 34-й Международный литейный конгресс; Документ № 1, Editions Techniques des Industries de la Fonderie, Париж, 1967 г.
  • [14] Моррог, Х., «Статус металлургии чугуна», Журнал Института чугуна и стали, январь1968, стр. 1-10.
  • [15] Бойлз, Альфред. «Перлитный интервал в сером чугуне», Transactions, Американское общество литейщиков, Vol. 48, 1940, стр. 531-573.
  • [16] Фрай, Г. Р., «Процесс постоянной формы применительно к производству отливок из серого чугуна», Modern Castings, Vol. 54, № 4, октябрь 1968 г., стр. 52-55.
  • [17] Кейн, Дж. Б., Проектирование отливок из черных металлов. Американское общество литейщиков, Дес-Плейнс, Иллинойс, 1963 г.
  • [18] Практическое руководство по проектированию отливок из серого чугуна для инженерных целей, Совет ассоциаций чугунолитейщиков, Лондон, 1960.
  • [19] Справочник по проектированию литья, Американское общество металлов, Metals Park, Огайо, 1962.
  • [20] Гротто, Л. А., «Разработка отливок двигателей с помощью экспериментального анализа напряжений», Transactions, Американское общество литейщиков, Vol. 69, 1961, стр. 636-645.
  • [21] Маккензи, Дж. Т., «Твердость по Бринеллю серого чугуна — ее связь с другими свойствами», Foundry, Vol. 74, № 10, окт. 1946, стр. 88—93; стр. 191-194.
  • [22] Справочник по металлам ASM, 8-е изд., Том. 2, Американское общество металлов, Metals Park, Огайо, 1964. стр. 203-213.
  • [23] ASM Metals Handbook, 8-е изд., Vol. 3, Американское общество металлов, Металс-Парк, Огайо. 1967.
  • [24] Справочник по обработке данных, Metcut Research Associates, Inc., Цинциннати, Огайо, 1966.
  • [25] Вальц, В., «Сегодняшние инженерные разработки бросают вызов литейной промышленности литейных металлов», Transactions, Американское общество литейщиков, Vol. 72, 1964, с.914-922.
  • [26] Златин, Норман, «Обрабатываемость нелегированного и легированного серого чугуна», Новости серого и ковкого чугуна, март 1965 г., стр. 5-14.
  • [27] Лэмб, А. Д., «Материалы и технические факторы при обработке чугунных отливок», «Новости из серого и ковкого чугуна», часть I, апрель 1967 г., стр. 5-13; Часть II, май 1967 г., стр. 11-20.
  • [28] Филд, М. и Калес, Дж. Ф., «Факторы, влияющие на обработанную поверхность серого чугуна, новостей из серого и ковкого чугуна», апрель 1966 г.стр. 5-23.
  • [29] Де Си, А., «Кислород. Оксиды. Перегрев и зарождение графита в чугуне», Transactions, Американское общество литейщиков. Том. 75. 1967. С. 161-172.
  • [30] Редшоу, А. А., Пейн, К. А., и Хоскинс. Дж. А., «Управление серым чугуном с помощью методов кривой охлаждения, транзакции. Американское общество литейщиков, Vol. 70. 1962, стр. 89-96.
  • [31] Каш, Ф. Е., «Углеродный эквивалент по кривым охлаждения — быстрый и практический тест», Transactions, American Foundrymen’s Society, Vol.71, 1963. стр. 266-274.
  • [32] Уолтер, Г. Х., «Корреляция характеристик конструкции и измерений резонансной частоты с инженерными свойствами серого чугуна», Публикация 650519, Общество автомобильных инженеров, 1965.
  • [33] Абар, Дж. В., Челитти, Р. А., и Шпенглер, А. Ф., «Использование акустики для прогнозирования механических свойств серого чугуна», «Транзакции», Американское общество литейщиков, Vol. 74, 1966, стр. 7-I2.
  • [34] Картер, К.Д., «Неразрушающий вихретоковый контроль серого чугуна, новостей из серого и ковкого чугуна», февраль 1966 г., стр. 8-10.
  • [35] Барто, Р. Л., Херд, Д. Т., и Столтенберг, Дж. П., «Литье чугуна и стали под давлением». Сделки. Американское общество литейщиков, Vol. 75, 1967, стр. 181 – 192.
  • [36] Morrogh, H., «Прогресс и проблемы в понимании чугуна», Transactions, Американское общество литейщиков, Vol. 70, 1962. стр. 449-458.
  • [37] Бейтс, К.Э. и Уоллес. Дж. Ф. «Эффекты и нейтрализация микроэлементов в сером, ковком и ковком чугуне», Труды, Американское общество литейщиков, Vol. 75. 1967, стр. 815-846.

Чугуны – обзор

Термин «чугун» используется для описания целого семейства металлов с широким диапазоном свойств. Как и сталь, это также общий термин, обозначающий семейство металлов. Как стали, так и чугуны в основном состоят из железа с углеродом (С) в качестве основного легирующего элемента.

В то время как стали содержат менее 2% и обычно менее 1% углерода; все чугуны содержат более 2% углерода. Два процента — это максимальное содержание углерода, при котором железо может стать твердым в виде однофазного сплава со всем углеродом, растворенным в аустените. Таким образом, можно сказать, что чугуны затвердевают как гетерогенные сплавы и всегда содержат более одного компонента в своей микроструктуре.

Наряду с углеродом чугуны также содержат кремний (Si), обычно от 1 до 3%, и, следовательно, мы можем сказать, что они на самом деле являются сплавами железо-углерод-кремний.Высокое содержание углерода и кремния в чугунах делает их отличными литейными сплавами. Температура плавления чугунов значительно ниже, чем у стали. Железо в расплавленном состоянии является более жидким, чем расплавленная сталь, и менее вступает в реакцию с формовочными материалами. В процессе затвердевания в чугуне образуется графит низкой плотности. Этот графит низкой плотности уменьшает изменение объема металла из жидкого состояния в твердое и позволяет производить более сложные отливки. Однако на самом деле чугуны не обладают достаточной пластичностью для ковки или прокатки.

Чугуны бывают разных типов, однако они не могут быть определены по химическому составу из-за сходства между типами. В приведенной ниже таблице показаны различные диапазоны состава для наиболее часто определяемых элементов в 5 основных типах чугуна.

Ассортимент составов для типичных нелегированных чугунов

Для коммерческих целей ассортимент составов можно разделить на шестой тип — высоколегированные чугуны.Они имеют широкий диапазон основного состава, а также содержат другие элементы в значительных количествах.

Присутствие некоторых второстепенных элементов также имеет решающее значение для успешного производства различных видов железа. Например, зародышеобразователи, известные как модификаторы, используются при производстве серого чугуна для контроля типа и размера графита. В то время как висмут и теллур используются в небольших количествах для производства ковкого железа; присутствие нескольких сотых процента магния (Mg) вызывает образование сфероидального графита в ковком чугуне.

Более того, состав чугуна необходимо подбирать под конкретные отливки. Определенный состав металла не может быть использован для получения мелких и крупных отливок из одной и той же марки железа. По этой причине большую часть чугунного литья покупают на основании механических свойств, а не состава. Важным исключением являются отливки, которым необходимы особые свойства, такие как коррозионная стойкость или стойкость к повышенным температурам.

Различные типы чугуна можно классифицировать на основе их микроструктуры.Классификация зависит от формы и формы, в которой основной компонент углерода встречается в железе. Эта система позволяет использовать пять основных типов: серый чугун, ковкий чугун, ковкий чугун, чугун с уплотненным графитом (CGI) и белый чугун. Все эти различные типы железа можно подвергать термической обработке или умеренно легировать без изменения его основной классификации. Высоколегированные чугуны, которые обычно содержат более 3% добавленного сплава, могут быть отдельно классифицированы как серый или ковкий чугун или белый, однако высоколегированные чугуны коммерчески классифицируются как отдельная группа.

ЧУГУН

ЧУГУН Лабораторная сессия (6) Чугун
Цель
Цель этого эксперимента:
    1. Сосредоточение на актерском составе зона железа в системе железо-карбид железа.
    2. Знакомство с различными типами из чугунов и различия между ними.
    3. Изучение различных микроструктур из разных видов чугуна.

Введение

Семейство чугунов

— один из важнейших классов железоуглеродистых сплавов с широким спектром применения. Название «приведение» было дано из-за к тому, что такой тип сплавов разрабатывался как литейный, а чем подвергают термомеханической обработке в твердом состоянии. Там различают несколько видов чугуна по составу легирующих элементов, которые, следовательно, различаются по своим механическим, физическим свойствам и микроструктуре.
 Есть три основные причины такого широкого спектра актерского состава. классы железа, а именно:
  1 . Химический состав железа; существование некоторых легирующих элементов.
2 . Скорость охлаждения отливки в форме.
3 . Тип образовавшегося графита и его процентный состав.
Вообще говоря, чугуны обычно содержат 2-4% углерода. Такая область включена в фазовую диаграмму, как показано на рисунке (1), и помечен голубым цветом.

Рисунок 1 Чугун и содержание углерода на Fe-Fe3C фазовая диаграмма

Колебания содержания углерода оказывают решающее влияние на сплав прочность, пластичность, обрабатываемость, размер зерна, остаточные напряжения, твердость и жесткость. Как показано на рисунке (2), содержание углерода имеет решающее значение. влияние на предел текучести, предел прочности и твердость.

Рисунок 2 Влияние содержания углерода на стальные сплавы характеристики

В дополнение к железу чугуны содержат 1-3% кремния, что увеличивает текучесть расплавленного металла, чтобы быть пригодным для литья, в дополнение к другим легирующим элементы, такие как хром, никель или молибден, повышающие прочность и коррозионная стойкость.Чугуны имеют несколько материальных преимуществ над некоторыми типами сталей по ряду причин; они легко плавятся что обеспечило более низкую стоимость оснастки и производства по сравнению со сталью сплавов, они обеспечивают широкий диапазон твердости и прочности, хорошую обрабатываемость без заусенцев, отличная износостойкость и высокая твердость (особенно белый чугун) и высокими виброгасящими свойствами. Они могут быть сплавлены повысить их коррозионную стойкость и износостойкость.

С другой стороны, у них есть определенные недостатки, которые все объясняются к высокому содержанию углерода.Чем больше содержание углерода, тем ниже пластичность и выше хрупкость. Это приводит к плохой ударопрочности. Следовательно, это накладывает ограничение на их использование. При этом их низкая стоимость и хорошие свойства компенсируются такими недостатками.

Существуют четыре основных вида чугуна с точки зрения их частого использования. использует в промышленности. Кроме того, существуют другие типы, происходящие от основных четырех типов, но подвергались определенным добавкам легирования элементы или определенная термическая обработка.



ЧУГУННЫЕ ТИПЫ

Основные четыре типа чугуна: серый CI, белый CI, ковкий CI и пластичный CI. Основное различие между четырьмя типами заключается в содержание углерода и других легирующих элементов. В следующих таблицах показано эти различия:

Стол (1) Типы чугуна
1. Серый чугун (графитовый чугун):
Этот тип имеет самое высокое содержание углерода среди классов чугуна.Он образуется, когда углерод в сплаве превышает количество, которое может быть растворенный. Поэтому углерод начинает осаждаться в виде графита. хлопья. Высокое содержание кремния повышает текучесть и стабилизирует структуру графита, способствуя образованию графита. Затвердевание Скорость определяет степень образования графита.
На самом деле, название грей происходит от того факта, что поверхность излома серый чугун имеет серый цвет из-за обнаженного графита.
Свойства : хорошая износостойкость, отличное гашение вибрации емкость и хорошая обрабатываемость, устойчивость к истиранию при ограниченном движение.
Микроструктура : Перлитная матрица в тонких срезах и углерод осадки в виде чешуек графита в ферритовой матрице.
2. Белый чугун:
Белый чугун образуется, когда железо в расплавленном чугуне превращается в карбид железа вместо образования графита при затвердевании.Микроструктура состоит из карбида железа, внедренного в перлитную матрицу. В то время как имя «белый» дан потому, что поверхность излома этого типа белая. То белая часть матрицы представляет собой цементит, а черная часть — перлит.
3. Ковкий чугун (чугун с шаровидным или шаровидным графитом):

В этом типе углерод осаждается в виде черных конкреций. Он сочетает в себе высокая текучесть, с улучшенными механическими свойствами.Обладает хорошей пластичностью, прочность, коррозионная стойкость и износостойкость. Добавление легирования элементы, такие как: Mg, Ce, Ca, Li и Na, должны вызывать сферодизацию (сферические углеродные осадки).

4. Ковкий чугун:

Этот тип изначально формируется как белый чугун. Затем подвергается термообработке производить его в печи для мелеобработки для диссоциации карбида железа на округлые глыбы графита и железа.Показывает хорошую пластичность, износостойкость стойкость, жесткость. Он легко поддается механической обработке и отливке.

5. Другие типы КИ:

Существуют и другие виды чугуна, которые зависят от состава легирующий элемент в производстве различной микроструктуры, такой как: Кремний Чугун с чешуйками, чугун с хлопьями с высоким содержанием кремния, компактный чугун, низколегированный Чугун с шаровидным графитом, аустенитно-чешуйчатый чугун, игольчатый чугун и аустенитный чугун Ковкий чугун.



Процедуры

Были использованы три образца:
    а. Серый чугун.
    б. Чугун с шаровидным графитом
    с. Ковкий чугун.
Были приняты общие процедуры подготовки, такие как шлифовка и полировка, с последующим травлением 3 мл HNO 3 + 100 мл CH 3 OH (метиловый спирт), травят погружением на 15 секунд.

  Тестирование Устройства

Оптический микроскоп

Результаты/Обсуждение

Ответьте на следующие вопросы в основная часть вашего обсуждения (обратитесь к страницам вашего учебника 551-560) 1.Опишите микроструктуру


Далее Ссылки/Изображения

Следующие сайты и книги содержат полезная информация и изображения для нескольких статей, с которыми мы столкнулись в этом эксперименте. Обязательно проверьте их.

Академический Страница @ MIT    http://me.mit.edu/2.01/Taxonomy/Characteristics/Iron.html

Калпакджян Серопе. Процесс производства инженерных материалов. Эддисон Уэсли, 3 rd Ed., 1997.

Смит, Уильям Ф. . Принципы материаловедения и инженерии. McGraw Hill, 3 rd Ed., 1996.

Вернуться на главную страницу
Поддерживается: инж. Моатаз М. Атталла © Американский университет в Каире

Чугун: CI Состав, свойства и продукты

Чугунный чугун является промежуточным продуктом производства железа между плавкой железной руды и пригодными для использования изделиями из чугуна. Серый чугун (ЧЧ) получают путем переплавки чугуна в небольших вагранках (аналогичны доменной печи по конструкции и принципу действия) и заливки в формы для изготовления отливок.Чугун считается сплавом железа с содержанием углерода более 2% и, как правило, с содержанием кремния более 0,1%. Помимо серого чугуна существует еще 3 важных типа чугуна (продукты CI).

Присутствие чешуйчатого графита в кремниево-железной матрице делает отливки из серого чугуна уникальным материалом. Наличие графита, характер распределения и длина чешуек определяют прочность и качество чугуна.

В основном существует 4 типа чугуна –

  • Серый чугун
  • Ковкий чугун
  • Ковкий чугун
  • Белый чугун

5

, более медленное затвердевание приводит к увеличению размера чешуек графита.Более медленное охлаждение отливки снижает твердость металлической матрицы.

  • Усталостные свойства
  • Демпфирующие свойства

Свойства серого чугуна можно определить по количеству дополнительных элементов в сером чугуне:

Чугун содержит небольшие проценты кремния, серы, марганца и фосфора. Влияние этих дополнительных элементов на чугун следующее:

  1. Кремний: Около 3% кремния может присутствовать в чугуне.Он обеспечивает образование свободного графита, который делает чугун мягким и легко поддающимся обработке.
  2. Марганец: Делает чугун белым и твердым. Он часто держится ниже 0,75%. Он помогает контролировать вредное воздействие серы.
  3. Фосфор: способствует плавкости и текучести чугуна, но вызывает хрупкость. Редко допускается превышение 1%. Фосфорные чугуны пригодны для литья сложных конструкций и многих отливок легкого машиностроения, когда важна дешевизна.

Значение SiC в процессе плавки ковкого чугуна с переменным содержанием шихтовых материалов

Принадлежности Расширять

Принадлежности

  • 1 Кафедра литейного производства Силезского технического университета, 7 Товарова, 44-100 Гливице, Польша.
  • 2 LFP Ltd., ул. Фабричная 15, 64-100 Лешно, Польша.
Бесплатная статья ЧВК

Элемент в буфере обмена

Кшиштоф Янерка и соавт. Материалы (Базель). .

Бесплатная статья ЧВК Показать детали Показать варианты

Показать варианты

Формат АннотацияPubMedPMID

Принадлежности

  • 1 Кафедра литейного производства Силезского технического университета, 7 Товарова, 44-100 Гливице, Польша.
  • 2 LFP Ltd., ул. Фабричная 15, 64-100 Лешно, Польша.

Элемент в буфере обмена

Полнотекстовые ссылки Параметры отображения цитирования

Показать варианты

Формат АннотацияPubMedPMID

Абстрактный

В статье представлены вопросы, связанные с выплавкой высокопрочного чугуна марки ЭН-ГЖС-400-15, с различным соотношением исходного сырья (стальной лом и чугун).Основное внимание уделялось определению влияния карбида кремния на структуру и свойства выплавляемого чугуна. В проведенных плавках дефицит углерода и кремния восполняли соответствующим образом подобранным науглероживателем, ферросилицем и металлургическим карбидом кремния SiC. Процент карбида кремния в шихте колебался от 0 до 0,91%. Основным условием планирования плавок было обеспечение повторяемости химического состава выходящего чугуна и чугуна после внепечной обработки жидкого металла с различными составами шихты.На основании испытаний, расчетов и анализа полученных результатов был сделан вывод, что добавка SiC может увеличить количество и размер выделений графита. Увеличение содержания SiC в шихте также вызвало изменение характера затвердевания сплава и механизма роста сфероидальных выделений графита, что привело к формированию на их поверхности чешуйчатой ​​оболочки. Наблюдалось также влияние добавки карбида кремния на снижение температуры ликвидуса в сплавах.Карбид кремния положительно повлиял на структуру и свойства выплавляемых сплавов. Введение SiC в плавку в исследованном диапазоне вызывало увеличение содержания углерода и кремния, не вызывая увеличения количества примесей в сплаве.

Ключевые слова: чугунная конструкция; кристаллизация; ковкий чугун; Карбид кремния.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Цифры

Рисунок 1

Влияние содержания SiC (увеличение…

Рисунок 1

Влияние содержания SiC (увеличение добавки в последующих плавках) на TL ликвидуса…

фигура 1

Влияние содержания SiC (увеличение добавки в последующих плавках) на температуру TL ликвидуса и TS солидуса.

Рисунок 2

Предел прочности при растяжении (UTS) и…

Рисунок 2

Предел прочности при растяжении (UTS) и число твердости по Бринеллю (BHN) в отдельных расплавах.

фигура 2

Предел прочности при растяжении (UTS) и число твердости по Бринеллю (BHN) в отдельных расплавах.

Рисунок 3

Микроструктура образца 1 непротравленная…

Рисунок 3

Микроструктура образца 1 непротравленная ( a ) и протравленная ( b ).

Рисунок 3

Микроструктура образца 1 непротравленная ( a ) и протравленная ( b ).

Рисунок 4

Микроструктура образца 5 непротравленная…

Рисунок 4

Микроструктура образца 5 непротравленная ( a ) и протравленная ( b ).

Рисунок 4

Микроструктура образца 5 непротравленная ( a ) и протравленная ( b ).

Рисунок 5

Микроструктура образца 9 непротравленная…

Рисунок 5

Микроструктура образца 9 непротравленная ( a ) и протравленная ( b ).

Рисунок 5

Микроструктура образца 9 непротравленная ( a ) и протравленная ( b ).

Рисунок 6

Изображения изломов образцов 1…

Рисунок 6

Изображения изломов образцов 1 увеличение 250× ( a ) и 4600× (…

Рисунок 6

Изображения изломов образцов 1 увеличение 250× ( a ) и 4600× ( b ).

Рисунок 7

Изображения изломов образцов 5…

Рисунок 7

Изображения изломов образца 5, увеличение 235× (а) и 4300× ( б ).

Рисунок 7

Изображения изломов образца 5, увеличение 235× (а) и 4300× ( б ).

Рисунок 8

Изображения изломов образцов 10…

Рисунок 8

Изображения изломов образцов 10-кратное увеличение 265х (а) и 5200х (б).

Рисунок 8

Изображения изломов образцов 10-кратное увеличение 265х (а) и 5200х (б).

Все фигурки (8)

Похожие статьи

  • Влияние условий затвердевания на микроструктуру ковкого чугуна с лазерной наплавкой.

    Яницкий Д., Гурка Ю., Квасьный В., Пакела В., Матус К. Яницкий Д. и соавт. Материалы (Базель). 2020 6 марта; 13 (5): 1174. дои: 10.3390/ma13051174. Материалы (Базель). 2020. PMID: 32155713 Бесплатная статья ЧВК.

  • Поверхностные явления на границе раздела карбида кремния и сплава железа.

    Холева М., Врубель Т., Барон С., Морис М. Чолева М. и соавт.Материалы (Базель). 2021 10 ноября; 14 (22): 6762. дои: 10.3390/ma14226762. Материалы (Базель). 2021. PMID: 34832164 Бесплатная статья ЧВК.

  • Кристаллические структуры и электронные свойства материалов карбида кремния, богатых кремнием, расчетами из первых принципов.

    Алхальди Н.Д., Барман С.К., Худа М.Н. Алхальди Н.Д. и соавт. Гелион. 2019 27 ноября; 5 (11): e02908.doi: 10.1016/j.heliyon.2019.e02908. Электронная коллекция 2019 ноябрь. Гелион. 2019. PMID: 31844763 Бесплатная статья ЧВК.

  • Образование карбида кремния из метана и монооксида кремния.

    Аарнес Т.С., Рингдален Э., Тангстад ​​М. Аарнес Т.С. и соавт. Научный представитель 2020 г. 11 декабря; 10 (1): 21831. doi: 10.1038/s41598-020-79006-6. Научный представитель 2020. PMID: 33311573 Бесплатная статья ЧВК.

  • Двумерный карбид кремния: новый полупроводник с прямой запрещенной зоной.

    Чаби С., Кадель К. Чаби С. и др. Наноматериалы (Базель). 2020 9 ноября; 10 (11): 2226. doi: 10.3390/nano10112226. Наноматериалы (Базель). 2020. PMID: 33182438 Бесплатная статья ЧВК. Рассмотрение.

использованная литература

    1. Джанерка К., Бартоха Д., Сайнар Дж., Езерски Дж. Влияние науглероживания на процесс кристаллизации и микроструктуру синтетического чугуна. Арка Металл. 2010;55:851–859.
    1. Janerka K., Jezierski J., Szajnar J., Bartocha D. Чугун: производится из стального лома. В: Colás R., Totten GE, редакторы. Энциклопедия железа, стали и их сплавов. Тейлор и Фрэнсис; Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США: 2015 г.стр. 735–749.
    1. Джанерка К., Барточа Д., Шайнар Дж. Качество науглероживания и его влияние на процесс науглероживания. Арка Литейный инж. 2009; 9: 249–254.
    1. Джанерка К., Павлита М., Езерский Й., Шайнар Й., Бартоха Д. Свойства науглероживателей переносятся в структуру расплавленного чугуна.Дж. Матер. Обработать. Технол. 2014; 214:794–801. doi: 10.1016/j.jmatprotec.2013.11.027. — DOI
    1. Стойчев А., Янерка К., Езерски Ю., Шайнар Ю., Павлита М. Вытапирование жевательного синтеза с wykorzystaniem węglika krzemu. Арка Литейный инж.2014; 1:77–82. doi: 10.2478/afe-2014-0066. (На польском) — DOI

Показать все 17 ссылок

LinkOut — больше ресурсов

  • Полнотекстовые источники

  • Материалы исследований

  • Разное

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

2019 © Все права защищены.