в каком состоянии и в виде чего находится углерод в сером чугуне
В каком состоянии и в виде чего находится углерод в сером чугуне
Что называется чугуном?
Чугуном называется сплав железа с углеродом, получаемый путем плавки железной руды в доменных печах. Чугун содержит от 2 до 5% углерода. Как делятся доменные чугуны в зависимости от химического состава и назначения?
Б зависимости от химического состава и назначения доменные чугуны делятся на передельные, литейные и специальные.
Как разделяются чугуны в зависимости от характера соединения углерода с железом?
Рекламные предложения на основе ваших интересов:
В зависимости от характера соединения углерода с железом чугуны делятся на белые и серые.
Чем характерен белый чугун?
Углерод в белом чугуне присутствует в виде цементита (FeO), поэтому он очень тверд и практически не обрабатывается, а используется для переделки в сталь и для других целей. Излом белого чугуна имеет матово-белый цвет.
В каком состоянии находится углерод в сером чугуне?
В сером чугуне весь углерод или его часть находится в свободном состоянии в виде графита, который придает ему на изломе серый или темно-серый цвет. Серый чугун — основной литейный материал, он обладает вполне удовлетворительными механическими свойствами, дешев, имеет высокие литейные свойства и хорошо обрабатывается режущим инструментом.
Как обозначается серый чугун?
Серый чугун обозначается двумя буквами и двумя двухзначными числами через тире. Буквы СЧ означают серый чугун, первое двухзначное число — предел прочности на растяжение, второе — предел прочности при изгибе. Например, СЧ 18—36 — это серый чугун, предел прочности на растяжение 18, а предел прочности при Изгибе 36.
Чем отличается модифицированный чугун от обычного серого чугуна?
Модифицированный чугун отличается от обычного серого чугуна тем, что обладает повышенными механическими и литейными свойствами. Получают его путем добавления в жидкий серый чугун графитиру- ющих присадок (ферросилиция, еиликокальция или силикоалюминия). Марки модйфицированного чугуна: СЧ 28—48, СЧ 32—52 и др.
Каким образом получают высокопрочный чугун?
Высокопрочный чугун получают из серого чугуна путем присадки в ковш перед разливкой в формы магния. Получается чугун с шаровидным графитрм, обладающий высокими механическими и литейными свойствами.
Марки высокопрочного чугуна по ГОСТ 7293—54: ВЧ 45-0, ВЧ 45-5, ВЧ 40—10, ВЧ 50—1,5, ВЧ 60— 2. Буквы ВЧ означают высокопрочный чугун, первые две цифры—лредел прочности при растяжении, а последние— величину относительного удлинения при растяжений.
Как получают ковкий чугун?
Ковкий чугун получают путем длительного отжига белого чугуна в специальных печах, после чего в чугуне вместо свободного цементита образуется графит.
Марки ковкого чугуна по ГОСТ 1215—59: КЧ 30— 6, КЧ 33—8, КЧ 35—10, КЧ 37—12 и др. Буквы КЧ означают чугун ковкий, первые две цифры — предел прочности при растяжении, а последние—относительное удлинение при растяжении.
Какие детали изготовляют из серого чугуна в краностроении?
Что такое чугун: состав и содержание углерода в сплаве
Чугун вошел в нашу жизнь много столетий тому назад и остается популярным и по сей день. Он нашел широкое применение во многих областях. Однако чтобы разобраться, что такое чугун, важно знать его свойства и химический состав, структуру и особенности его сплавов, достоинства и недостатки этого материала, а также его производство и сферы применения.
Химический состав чугуна
Чугун — это сплав железа и углерода, в котором процентное содержание углерода составляет не менее 2,14%, но не более 4,5%. Углерод входит в состав чугуна в форме цементита либо графита. Если процент содержания углерода составляет меньше 2,14%, такой сплав именуется сталью.
Известно, что чугунный сплав впервые был произведен в Китае в VI веке. В Европу секрет его производства пришел в XIV веке, а в России его состав был доведен до совершенства лишь в XVII. За все это долгое время формула чугуна не изменилась.
Самый качественный материал производился на литейном заводе братьев Демидовых, расположенном на Урале.
По прошествии веков он не только не утратил своей актуальности, но и приобрел еще более обширный спектр применения.
Разновидности материала
Существуют такие виды чугуна, как предельный и литейный. Первый используют при производстве стали по кислородно-конвертерному пути. Кремний и марганец в таком сплаве содержится в очень малом количестве. Литейный вид материала более широко используется в промышленности и производстве. Он, в свою очередь, подразделяется на следующие виды:
Особенности сплава
Главная особенность чугуна скрыта в процессе его изготовления. Дело в том, что у разных видов этого сплава температура плавления достигает 1200ºС, в то время как у стали она составляет 1500 ºС. На этот фактор влияет слишком высокое содержание углерода. Атомы железа и углерода между собой имеют не очень тесные связи.
Когда происходит выплавка, атомы углерода не могут целиком внедриться в молекулярную решетку железа, из-за чего чугунный сплав приобретает хрупкость. В связи с этим его не используют в производстве деталей, которые будут постоянно подвергаться нагрузке.
Этот материал относится к отрасли черной металлургии и по своим характеристикам схож со сталью. Изделия из чугуна и стали нашли широкое применение в повседневной жизни, и оно является целиком оправданным.
Если сравнивать характеристики этих металлов, можно сделать следующие заключения:
Достоинства и недостатки
Этот материал, как и любой другой, имеет свои сильные и слабые стороны.
К достоинствам чугуна относятся такие факторы:
К недостаткам можно отнести следующие факторы:
Характерные черты и свойства чугуна
Этот металлический сплав обладает такими свойствами:
На свойства сплава также оказывают влияние специальные примеси:
Состав и структура металла
Чугун в качестве структурного материала представлен металлической полостью с графитными включениями. Основными его компонентами выступают перлит, ледебурит и пластичный графит. Интересно, что в различных видах сплавов эти элементы присутствуют в неодинаковых пропорциях либо могут совсем отсутствовать.
По своей структуре чугунный сплав разделяется на следующие разновидности:
При этом графит может присутствовать в нем в одной из таких форм:
Производственные технологии
Как известно, чугун производится в специальных доменных печах. Основным сырьем для его получения служит железная руда. Технологический процесс изготовления состоит в восстановлении оксидов железной руды и получении в результате этого иного материала — чугуна. Для его изготовления используются такие виды топлива, как кокс, термоантрацит, природный газ.
Для производства одной тонны чугуна требуется около 550 килограмм кокса и приблизительно тонна воды. Объемы загружаемой в печь руды будут зависеть от содержания в ней железа. Как правило используют руду, в составе которой содержится железа не менее 70%. Все дело в том, что экономически нецелесообразно использовать меньшую его концентрацию.
Первым этапом производства чугуна является его выплавка. В доменную печь засыпается руда, а затем — коксующийся уголь, который необходим для нагнетания и поддержания требуемой температуры внутри шахты печи. Эти составляющие во время горения принимают активное участие в протекающих химических реакциях в качестве восстановителей железа.
Тем временем в печь погружается флюс, который выступает в роли катализатора. Ускоряя плавку пород, он тем самым поддерживает скорейшее высвобождение железа. Немаловажно знать, что перед загрузкой в печь руда проходит необходимую предварительную обработку. Она измельчается на дробильной установке, поскольку более мелкие частицы плавятся быстрее. Затем ее промывают, чтобы удалить частицы, не содержащие металл. Далее сырье подвергается обжигу, вследствие чего из него извлекается сера и другие инородные компоненты.
На втором этапе производства в заполненную и готовую к эксплуатации печь подается через специальные горелки природный газ. Кокс участвует в разогреве сырья. Происходит выделение углерода, который, соединяясь с кислородом, образует оксид. Он, в свою очередь, способствует восстановлению железа из руды.
При увеличении объема газа в печи снижается скорость протекания химической реакции. Она может и совсем остановиться при достижении определённого соотношения газа. Углерод проникает в сплав и соединяется с железом, при этом образуя чугун. Нерасплавленные элементы остаются на поверхности и вскоре удаляются. Такие отходы называются шлаком. Его используют для изготовления других материалов.
Сфера использования
Этот металл используется в различных отраслях промышленности. Например, он широко применяется в машиностроении для производства различных деталей.
Чаще всего этот материал используется в производстве блоков для двигателей и коленчатых валов. Для изготовления последних необходим усовершенствованный сплав с добавлением специальных примесей из графита. Этот металл устойчив к трению, поэтому из него производят тормозные колодки высокого качества.
В жестких климатических условиях чугунный сплав незаменим, так как он позволяет изготовленным из него деталям машин работать бесперебойно даже при самых низких температурах.
В металлургической промышленности он себя также отлично зарекомендовал. Высоко ценятся его превосходные литейные свойства и относительно невысокая цена. Изделия из него отличаются очень высокой прочностью и износостойкостью.
Из чугунного сплава делается великое множество сантехнических изделий. Это батареи, раковины, разнообразные мойки и трубы. Широкой популярностью пользуются чугунные ванны и радиаторы отопления. Срок их службы весьма длительный. Во многих квартирах по сей день используются данные изделия, потому как они долго сохраняют свой первозданный вид и редко нуждаются в реставрации.
Немаловажен и тот факт, что превосходные литейные свойства чугуна позволяют изготавливать из него целые произведения искусства: такие как ажурные кованые ворота и всевозможные памятники архитектуры.
Примечательно, что цена за 1 килограмм чугуна обусловлена количеством находящегося в его составе углерода, а еще наличием разнообразных примесей и легирующих компонентов. Цена тонны чугуна составляет около 8000 рублей.
На сегодняшний день не существует ни одной сферы, где бы ни использовался этот металл. Его литье и сплавы выступают основой многих узлов, механизмов и деталей. Иногда он используется в качестве самостоятельного изделия, прекрасно справляясь с возложенными на него функциями. Это железосодержащее соединение является уникальным в своем роде. Оно остается незаменимым и поныне.
Серый чугун
Серый чугун — это сплав железа с углеродом, который при охлаждении металла образуется в виде хлопьевидных или пластинчатых включений. Содержание углерода в сплаве превышает 2,14%, что выше нормальной растворимости. Этим сплав и отличается от стали, в которой углерод полностью растворен и отсутствует в виде отдельных включений, структура которых определяет их как графит.
Основные характеристики
Серый чугун лежит в основе черной металлургии, поскольку получается в результате восстановления железных руд при помощи углеродного топлива (кокса). В результате, кроме химической реакции восстановления окислов железа, сплав дополнительно насыщается свободным углеродом.
Высокое содержание углерода в свободном состоянии определяет механические свойства серого чугуна. Одно из основных качеств, которые позволяют использовать серый чугун не только в качестве передельного металла, это его высокие литейные качества и малая усадка при застывании. Расплавленный металл имеет высокую текучесть, поэтому из него можно выполнять отливки сложной формы.
Плиты серого чугуна
Ограничение по использованию изделий из серого чугуна обусловлено тем, что он имеет низкую прочность на изгиб, высокую хрупкость. Вместе с тем прочность серого чугуна на сжатие очень высока.
Несмотря на высокую хрупкость, такая характеристика, как износостойкость чугуна, позволяет использовать его в изделиях, работающих в условиях трения. В данных условиях сильное влияние оказывают антифрикционные свойства сплава.
Из-за наличия вкраплений углерода сварка серого чугуна практически невозможна. Существуют технологии сварки при наличии определенных условий. Это предварительный нагрев деталей, использование специальных высокоуглеродистых электродов, но все равно, структура металла шва сильно отличается от основного материала. Свариваемые детали должны медленно охлаждаться для устранения напряжений в зоне шва.
Химический состав и структура
В химический состав сплава, кроме железа и углерода, входит также некоторое содержание кремния. Свойства сплава зависят от условий охлаждения, поскольку время изменения температуры влияет на формирование внутренней структуры материала.
При медленном остывании образуются крупные кристаллы железа, и соединения металла с углеродом приобретают перлитную основу. Медленное остывание вызывает рост геометрических размеров не только кристаллов железа, но и включений углерода, поэтому, перлитный металл имеет высокую прочность, но повышенную хрупкость.
Микроструктура серого чугуна
В условиях быстрого охлаждения углерод не успевает сформировать крупные включения графита, поэтому сплав приобретает ферритную структуру.
Ферритный серый чугун имеет несколько меньшую хрупкость, чем перлитный.
Выбирая режим охлаждения литой заготовки, можно определенным образом влиять на итоговые свойства материала, в зависимости от предъявляемых требований.
Применение
Серый чугун широко применяется при литье изделий, для которых важна высокая прочность на сжатие. Это свойство важно, главным образом, при изготовлении литых станин инструментального парка. Применение материала ограничивается повышенной хрупкостью изделий при наличии значительных изгибающих усилий.
Изделие из серого чугуна
Ранее широко использовались хорошие литейные свойства материала при изготовлении различных изделий бытового и промышленного назначения. Разнообразная кухонная и бытовая утварь – чугунки, сковороды, утюги, изготовленная литьем при минимальной последующей обработке имела низкую себестоимость и легкость в производстве.
В настоящее время при помощи литья изготавливают также высоконагруженные элементы машин, где они не подвергаются изгибающим нагрузкам. Это поршни и цилиндры двигателей внутреннего сгорания.
Детали высокой прочности, отлитые из серого чугуна, имеют минимальную стоимость и высокий срок службы. Без преувеличения можно сказать, что литые станины и корпуса станков являются практически вечными по сравнению с остальными элементами устройства.
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/см 3 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 0 С равна 16 кал/(г∙ 0 С). Теплопроводность равна 0,16 кал/(см∙с∙ 0 С). Средний коэффициент линейного термического расширения в интервале температур 0…100 0 С можно принять (10…11)∙10 6 см/(см∙ 0 С), а в интервале температур 100…700 0 С он равен 14∙10 6 см/(см∙ 0 С).
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.
Серый чугун маркируется буквами СЧ, после которых ставится число, показывающее гарантируемый предел прочности на растяжение в кгс/мм 2
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.
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 0 С), 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 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 0 С. 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 0 С. При этом происходит вторая стадия графитизации.
В процессе выдержки (25…30 ч) распадается цементит перлита:
и образуется ковкий чугун на ферритной основе.
Ковкие чугуны маркируются буквами КЧ, после которых ставятся числа, показывающие гарантируемые предел прочности на растяжение в кгс/мм2
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
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 0 С; для увеличения пластичности — отжиг.
Недостатком высокопрочного чугуна является значительная объемная усадка, что приводит к появлению в отливках усадочной пористости, газовых раковин.
Уважаемые студенты!
Специалисты нашего сайта готовы оказать помощь в учёбе по разным предметам:
✔ Решение задач
✔ Выполнение учебных работ
✔ Помощь на экзаменах