Ковкий чугун

Белый и серый чугун

Серый и белый чугуны резко различаются но свойствам. Белые чугуны очень твердые и хрупкие, плохо обрабатываются режущим инструментом, идут на переплавку в сталь и называются передельными чугунами. Часть белого чугуна идет на получение ковкого чугуна.

Серые чугуны – это литейный чугун. Серый чугун поступает в производство в виде отливок. Серый чугун является дешевым конструкционным материалом. Он обладает хорошими литейными свойствами, хорошо обрабатывается резанием, сопротивляется износу, обладает способностью рассеивать колебания при вибрационных и переменных нагрузках. Свойство гасить вибрации называют демпфирующей способностью. Демпфирующая способность чугуна в 2-4 раза выше, чем стали. Высокая демпфирующая способность и износостойкость обусловили применение чугуна для изготовления станин различного оборудования, коленчатых и распределительных валов тракторных и автомобильных двигателей и др. В соответствии с ГОСТ 1412-80 выпускают следующие марки серых чугунов (в скобках указаны числовые значения твердости НВ): СЧ 10 (143-229), СЧ 15 (163-229), СЧ 20 (170-241), СЧ 25 (180—250), СЧ 30 (181-255), СЧ 35 (197-269), СЧ 40 (207-285), СЧ 45 (229-289).

Серый чугун получают при добавлении в расплавленный металл веществ, способствующих распаду цементита и выделению углерода в виде графита. Для серого чугуна графитизатором является кремний. При введении в сплав кремния около 5% цементит серого чугуна практически полностью распадается и образуется структура из пластичной ферритной основы и включений графита. С уменьшением содержания кремния цементит, входящий в состав перлита, частично распадается и образуется ферритно-перлитная структура с включениями графита. При дальнейшем уменьшении содержания кремния формируется структура серого чугуна на перлитной основе с включениями графита.

Механические свойства серых чугунов зависят от металлической основы, а также формы и размеров включений графита. Наиболее прочными являются серые чугуны на перлитной основе, а наиболее пластичными – серые чугуны на ферритной основе. Поскольку графит имеет очень малую прочность и не имеет связи с (.металлической основой чугуна, полости, занятые графитом, можно рассматривать как пустоты, надрезы или трещины в металлической основе чугуна, которые значительно снижают его прочность и пластичность. Наибольшее снижение прочностных свойств вызывают включения графита (рис. 25, а) в виде пластинок, наименьшее – включения точечной или шарообразной формы.

Рис. 25. Микроструктура чугуна с различной формой графита: а – пластинчатый графит в сером чугуне, б – шаровидный графит в высокопрочном чугуне, в – хлопьевидный графит в ковком чугуне

По физико-механическим характеристикам серые чугуны условно можно разделить па четыре группы: малой прочности, повышенной прочности, высокой прочности и со специальными свойствами. Серый чугун малой прочности имеет в основе микроструктуру феррита или феррита и перлита с пластинчатым графитом (рис. 25, а). Такой чугун обладает прочностью на растяжение 300 МПа и соответствует маркам до СЧ 30. В марке буквы сокращенно обозначают наименование чугуна, а следующая за ними двухзначная цифра – предел прочности на растяжение.

Серый чугун повышенной прочности имеет перлитную основу и более мелкое, завихренное строение графита. Он соответствует маркам от СЧ 35 до СЧ 40. Прочность этих чугунов обеспечивается легированием и модифицированием чугуна.

Легированный серый чугун имеет мелкозернистую структуру и лучшее строение графита за счет присадки небольших количеств никеля и хрома, молибдена, а иногда титана или меди.

Модифицированный серый чугун имеет однородное строение по сечению отливки и более мелкую завихренную форму графита. Химический состав шихты для изготовления модифицированного чугуна подбирают таким, чтобы обычный немодифицированный чугун затвердевал бы в отливке с отбелом (т. е. белым или половинчатым). Модификаторы – ферросилиций, силикоалюминий, силикокальций и др. – добавляют в количестве 0,1-0,3% от массы чугуна непосредственно в ковш во время его заполнения. В структуре отливок из модифицированного серого чугуна не содержится ледебуритного цементита. Вследствие малого количества вводимого в чугун модификатора его химический состав практически остается неизменным. Жидкий модифицированный чугун необходимо немедленно разливать в литейные формы, так как эффект модифицирования исчезает через 10-15 мин.

Общепринятая маркировка металла

Согласно с рекомендациями ГОСТ 1215–79, маркировка ковкого чугуна включает в себя первые буквы его наименования – КЧ. Прописанное число, состоящее из двух цифр, отображает показатель временного сопротивления или предел стойкости к деформации и разрушению, измеряемый в 10 МПа – КЧ 70. Цифра, прописанная через дефис, отражает величину пластической деформации во время растяжения с единицей измерения «%» (относительное удлинения) – КЧ70-2.

Вдобавок к этому, марки ковких сплавов классифицируются в зависимости от их структур. К ферритному и ферритно-перлитному классу относятся КЧ с относительно низкими пределами стойкости к разрушениям и более высокими процентами относительного удлинения. Сплавы с перлитовой структурой представлены с высокими значениями временного сопротивления и со сравнительно низкими показателями относительного удлинения.

По данным ГОСТ 26358, можно определить такие свойства марок ковкого чугуна, как:

• временное сопротивление разрыву;
• твёрдость по Бринеллю (НВ);
• относительное удлинение.

Процесс производства чугуна

Получение чугуна проводят в доменных печах. Этот процесс является достаточно энергоёмким и затратным производством. В качестве сырья используют 4 основных группы руд:

• Гематитовый железняк, состоящий из ангидридного оксида железа, держит 70% (Fe) и 30% (O);
• Магнетитовый железняк, содержит 72,4% (Fe), и 27,6% (O);
• Бурый железняк, содержит 59,8% элементарного железа;
• Сидеритовый железняк, содержит 48,3% (Fe).

Технологический процесс проходит в несколько этапов

Сначала, в процессе подготовки, измельчают железную руду с содержанием оксидов железа (FeO и Fe2O3) не менее 40% от общей массы. Затем путем дробления, грохочения, усреднения, промывки, обогащения и обжига, избавляются от неметаллических примесей – S, P, As, и поднимают массовую долю основного металла в руде.

По окончанию, подготовительного этапа, загружают все компоненты в печь.

Доменная печь представляет собой непрерывно действующее металлургическое оборудование в виде шахты, массой 30 тысяч тонн. Доменная печь состоит из 5 элементов: верхней части в форме цилиндра – колошника, широкой конической части – шахты, широкой части – распары, зауженной части – заплечиков и нижней части – горна. Загрузка всех компонентов производится сверху через колошник, а готовый продукт и шлак раздельно выходят снизу из горна.

Одновременно с рудой в домну помещают коксующиеся угли, выполняющие функцию топлива. В процессе термического разложения углей образуются соединения углерода, участвующие в качестве восстановительного агента. Для ускорения процесса высвобождения металла из руды добавляется флюсы. Обычно это горные породы, содержащий оксиды кальция и магния.

После окончания этапа загрузки начинается процесс выплавки, когда загруженные компоненты превращаются в сплав, шлак и газ. Физико-химические реакции, протекающие при этом можно охарактеризовать как восстановительно-окислительные, так как происходит восстановление окислов железа и окисление восстановительного агента.

Процессы протекающие в печи

Процессы, протекающие в доменной печи можно описать следующими химическими уравнениями:

При нагревании кокса происходит выделение элементарного углерода, который с кислородом образует углекислый газ.

С + О2 = СО2 + выделение энергии

CO2 при нагревании дальше окисляется до оксида углерода, и восстанавливает элементарное железо из его оксидов в руде.

СО2 + С = 2СО

Fe2O3 + 3 CO = 2Fe + 3 CO2

После реакции восстановления, металл насыщается углеродом, а при достижении 1150-1200°С стекает уже в форме металлического компаунда в горн. Из остатков пустой руды и флюсов образуют отход — шлак, который непрерывно удаляется.

Использование материала в строительстве

В этом разделе будут рассмотрены классификация, маркировка (марки) и применение чугунов и их сплавов.

Особенности применения

В строительстве используют серый чугун. Белый слишком твердый и хрупкий. Его переплавляют в ковкий чугун или в сталь.

В строительном деле чугун использовался еще в древние времена. Изделия из него получались отменного качества, если строго была соблюдена технология производства. Чугун всегда получали литьем. Изготовленный материал не должен был иметь воздушных раковин, линий формовки и трещин.

• В древние времена из чугуна делали несущие конструкции, которые собирались деталь за деталью. Сначала отливались конструктивные чугунные элементы, а затем основания соединялись крепежными предметами. Особенно часто этот метод использовали в арочных конструкциях.
• Чугун всегда использовали для изготовления канализационных труб, стоек и столбовых оснований. Из него делали различные дизайнерский штучки для домов.
• Трубы в наших домах, радиаторы отопления, краны, вентили водоснабжения, фитинги — все это изготовлено с использованием чугуна.
• Сантехнические изделия могут частично или полностью изготавливаться из описываемого материала.
• Особо хочется отметить чугунные радиаторы отопления. Эти приборы пользуются повышенным спросом. Такие радиаторы отопления долговечны, обладают высокой теплоотдачей и отличными теплоаккумулирующими свойствами. Они остаются теплыми и отдают тепло помещению даже спустя час после отключения. Если сравнивать со стальными радиаторами, то они теряют тепло в два разу быстрее.
• Сегодня и в прошлом из чугуна делали решетки. С помощью этого крепкого материала можно было создавать различные формы и конструкции. Интересные узоры и линии сделали чугунные изделия по-настоящему искусными. Некоторые украшения набережных и дворцовые ограждения дожили до сегодняшних дней. Эти произведения искусства были выполнены по идеям знаменитых мастеров. А чугун позволил воплотить эти идеи в жизнь и сохранить до наших дней.

Есть один нюанс. Современные строительные материалы вытеснили чугун. В некоторых изделиях чугун заменили пластиком. Сегодня практически не изготавливают водопроводную арматуру, канализационные трубы, сантехнические фитинги. Однако до сих пор из чугуна делают крышки, ограждения и большие трубы канализации.

Фитинги из чугуна

Литейный чугун

Этот вид чугуна стал популярным благодаря легкоплавкости. Он плавится даже при низких температурах плавления и легко заполняет форму. Отливки из чугуна получаются достаточно прочными и без пузырей.

Если речь идет о качественном литейном чугуне, то он при изменении своего состояние (из жидкого в твердое) не меняет своего объема. Такой эффект достигается благодаря добавлению в чугун специальных примесей в виде фосфора, серы, марганца и кремния.

• Благодаря легкоплавкости из чугуна изготавливают красивые строительные детали, в виде различных фигур. В последующем эти детали надежно скрепляются болтовыми соединениями.
• В архитектурном деле без чугуна никуда. Декоративные чугунные элементы способны украсить любое здание и архитектурный памятник.

Кованные изделия

Чугун очень ценят кузнецы. Этот материал отлично поддается ковке. Связано это все с атомной решеткой материала, которая имеет пробелы. Изготавливать любые изделия из него для кузнеца проще простого. В нашу жизнь плотно вошли следующие кованные изделия:

• Фонари;
• Лестницы;
• Декоративные элементы;
• Ворота;
• Оконные решетки;
• Палисадники;
• Столбы фонарей.

Сегодня кованными решетками, узорами, аппликациями украшают парки, офисы и городскую архитектуру.

Чугун устойчив к коррозии. Он долговечен. И поэтому некоторые чугунные элементы не потеряли вид до сегодняшнего дня. Отмечено, что очень эффектно смотрятся кованные чугунные лестницы (как снаружи дома, так и внутри), ажурные рисунки, скульптуры, решетки для окон, ворота и фонари для улиц.

Лестница из чугуна

Преимущества использования

В строительстве чугун зарекомендовал себя благодаря следующим положительным моментам:

• Чугунные элементы декора производят хороший зрительный эффект.
• Чугунные предметы не подвержены коррозиционным процессам.
• Сложные формы из чугуна получаются очень быстро.
• Чугунные изделия обладают высокой прочностью.
• Несложный производственный процесс.
• Изготовление чугунных изделий стоит недорого.
• Длительный период службы.

Цена на кованные изделия зависит от количества используемого материала, сложности изготовления, скорости выполнения, расценок предприятия. Цена доступна каждому желающему. Все могут украсить модными элементами и решетками свои дома.

О том, как могут применяться чугун и стали, расскажет это видео:

Распространение и применение чугуна

Чугун стал обширно применяться много лет назад. Это связано с тем, что материал довольно прост в производстве и обладает довольно привлекательными эксплуатационными качествами. Выделяют следующие разновидности этого материала:

1. Высокопрочный: применяется при производстве изделий, которые должны обладать повышенной прочностью. Получается подобная структура за счет добавления в состав примеси магния. Отличается высокой устойчивостью к изгибу и другому воздействию, не связанному с переменными нагрузками.
2. Ковкий чугун: обладает структурой, которая легко поддается ковке за счет высокой пластичности. Процесс производства предусматривает выполнения отжига.
3. Половинчатый: обладает неоднородной структурой, которая во многом и определяет основные механические качества материала.

Удельный вес во многом зависит от применяемого метода производства, а также химического состава. На свойства чугуна оказывают воздействие следующие примеси:

1. При добавлении в состав серы снижается тугоплавкость и повышается значение жидкотекучести.
2. Фосфор позволяет использовать материал для изготовления различных сложных изделий. Стоит учитывать, что за счет добавления в состав фосфора снижается прочность.
3. Кремний понижает температуру плавления и существенно улучшает свойства литья.
4. Марганец способен повысить прочность и твердость, но неблагоприятно влияет на литейные качества.

Рассматривая чугун, стоит уделить внимание следующей информации:

1. Серый чугун марки СЧ10 — самый легкий из всех производимых: 6800 кг/м3. С повышением марки также увеличивается и удельная масса.
2. Ковкая разновидность этого металла обладает значением 7000 кг/м3.
3. Высокопрочный имеет значение 7200 км/м3.

Плотность металлов, как и других материалов, рассчитывается по особой формуле. Она имеет прямое отношение к удельному весу. Поэтому два этих показателя довольно часто сравнивают между собой.

Классификация чугунов

Чугун, выплавляемый в доменных печах, по своей физико-химической природе может быть различным в зависимости от перерабатываемой железной руды.

Практика показала, что если железная руда в своем составе имеет высокое содержание марганца, то получается чугун со структурой цементита. Этот чугун получил название белого. Белый чугун является основным сырьем в производстве стали. В связи с этим он получил название передельного чугуна.

Если чугун имеет структуру перлит + ледебурит или ледебурит + цементит, то такой чугун называется половинчатым.

Если переплавляется железная руда с низким содержанием марганца, но с высоким содержанием кремния, то выплавляемый в доменных печах чугун будет иметь структуру феррит + перлит. Такие чугуны получили название литейных серых чугунов.

Белый передельный чугун идет на переработку в сталь в конвертерах, дуговых и индукционных печах, а также мартеновских печах. Из половинчатого чугуна путем длительного отжига получают ковкий чугун. Высокопрочные и специальные чугуны получают путем введения в литейный серый чугун модификаторов, находящихся в расплавленном состоянии. Литейный серый чугун используют в основном при производстве отливок для машиностроения и станкостроения.

Кроме указанных групп чугунов в последнее десятилетие XX в. в России (ОАО «Тулачермет») освоен выпуск чугуна с повышенной чистотой по содержанию вредных примесей и других химических элементов. Этот чугун получил название нодулярного чугуна (например, ПВК-Н — чугун повышенного качества нодулярный).

Ключевое различие – ковкий чугун против чугуна

Как следует из названия, и высокопрочный чугун, и чугун содержат железо как общий элемент; однако между ними есть разница, основанная на их составе. Различия в составе приводят к различным другим различиям в их свойствах; так что эти два материала используются в разных приложениях. Оба эти материала одинаково важны; но говорят, что ковкий чугун имеет более совершенные свойства по сравнению с чугуном. В ключевое отличие между ковким чугуном и чугуном, ковкий чугун прочен, эластичен и прочнее чугуна. У чугуна великая история, потому что он был изобретен в 4 веке до нашей эры, а ковкий чугун был открыт в 1943 году.

Что дает добавление алюминия в металлический сплав

Алюминий – это популярный модификатор КЧ. Добавка его в объёме от 0,015—0,025% от общей массы жидкого металла способствует исключению первичного графита при нормальных пропорциях углерода и кремния с толщиной детали, менее 4 см. Повышение показателей механических характеристик при оптимальных присадках алюминия связано с увеличением уровня дисперсности и более равномерным размещением зёрен графита среди железа.

Переизбыток алюминия в КЧ приводит к резкому падению механических свойств. Применение бора как одной из главных составляющих модифицирующие смеси в пропорции равной 0,002-0,003%, улучшает механические характеристики ферритного сплава и сокращает время отжига. В состав модифицирующей смеси могут включаться также:

• висмут;
• сурьма;
• теллур.

Процесс модифицирования снижает влияние смены температур при заливке сплава в форму и изменений его химического состава на механические свойства, что подтверждает универсальность ковкого чугуна. Следует учесть, что эффект влияния модифицирующих смесей на механические характеристики сплава и сокращение длительности процедуры отжига зависят от срока пребывания жидкого металла в ковше перед разливом. Если его передержать, то эффективность от добавления модификаторов резко упадёт.

Для добавления особых свойств допускается легирование чугуна хромом или никелем. В результате этого сплав получается кислотоупорным, высокопрочным к ударным воздействиям.

Общепринятая маркировка металла

Согласно с рекомендациями ГОСТ 1215–79, маркировка ковкого чугуна включает в себя первые буквы его наименования – КЧ. Прописанное число, состоящее из двух цифр, отображает показатель временного сопротивления или предел стойкости к деформации и разрушению, измеряемый в 10 МПа – КЧ 70. Цифра, прописанная через дефис, отражает величину пластической деформации во время растяжения с единицей измерения «%» (относительное удлинения) – КЧ70-2.

Вдобавок к этому, марки ковких сплавов классифицируются в зависимости от их структур. К ферритному и ферритно-перлитному классу относятся КЧ с относительно низкими пределами стойкости к разрушениям и более высокими процентами относительного удлинения. Сплавы с перлитовой структурой представлены с высокими значениями временного сопротивления и со сравнительно низкими показателями относительного удлинения.

По данным ГОСТ 26358, можно определить такие свойства марок ковкого чугуна, как:

• временное сопротивление разрыву;
• твёрдость по Бринеллю (НВ);
• относительное удлинение.

Теория железоуглеродистых структур

Карбон с ферумом могут образовывать несколько различных видов сплавов по типу кристаллической решетки, что отображается на варианте микроструктуры.

1. Твердый раствор проникновения в α-железо – феррит.
2. Твердый раствор проникновения в γ-железо – аустенит.
3. Химическое образование Fe3C (связанное состояние) – цементит. Первичный образовывается путем быстрого охлаждения из жидкого расплава. Вторичный – более медленное снижение температуры, из аустенита. Третичный – постепенное охлаждение, из феррита.
4. Механическая смесь зерен феррита и цементита – перлит.
5. Механическая смесь зерен перлита или аустенита и цементита – ледебурит.

Для чугунов характерна особая микроструктура. Графит может находиться в связанном виде и образовывать вышеперечисленные структуры, а может пребывать в свободном состоянии в форме разных включений. На свойства влияют как основные зерна, так и эти образования. Графитовыми фракциями в металле являются пластины, хлопья или шары.

Пластинчатая форма характерна для серых железоуглеродистых сплавов. Она обуславливает их хрупкость и ненадежность.

Включения хлопьеобразные имеют ковкие чугуны, чем положительно влияют на их механические показатели.

Шарообразная структура графита еще более улучшает качества металла, влияя на увеличение твердости, надежности, выдержки значительных нагрузок. Такими характеристиками обладает чугун высокопрочный. Ковкий чугун свойства свои обуславливает ферритной или перлитной основами с наличием хлопьеобразных графитовых включений.

Состав серого чугуна и его структура

Параметры и свойства сплава напрямую зависят от режима охлаждения, дело в том, что именно во время охлаждения формируется структура материала.

В процессе медленного охлаждения происходит образование немалых кристаллов железа, а сочетание металла и углерода становится перлитным. В ходе такого охлаждения происходит не только увеличение размера кристаллов металла, но и углеродных включений. Такое сочетание приводит к тому, что перлитный материал имеет не только высокую прочность, но и повышенную хрупкость.

Оценка структуры СЧ определяет:

размеры включений графита, измеряя в микрометрах (МКМ), их распределение, количество (в %), вид структуры металлической основы и при наличии перлита — его дисперсность.

По строению металлической основы серые чугуны делят на:

1. перлитные — в составе структуры перлит и графит;
2. ферритно-перлитные — феррит, перлит и графит;
3. ферритные — структура состоит из феррита и графита.

Какая основа будет зависит от скорости охлаждения после затвердевания.

Для обозначения частей микроструктуры чугун этого типа используют терминологию определенную в ГОСТ 3443-87, например, пластинчатый графит обозначают буквами ПГ. Углерод включен в материал в следующих формах.

• пластинчатая прямолинейная, ее обозначают ПГФ1;
• пластинчатая завихреная — ПГФ2;
• игольчатая — ПГФ3;
• гнездообразная -ПГФ4.

Первоочередную значимость для приобретения требуемых параметров чугунной отливки имеет его структура, именно поэтому при выполнении заготовок требуется тщательное выполнение технологии плавления и заливания сырья. Для обретения требуемых параметров серого чугуна и устранения дефектов применяют операцию модификации.

В составе СЧ, в зависимости от его марки, могут входить следующие вещества:

Основа — Fe (железо), остальное:

• C (углерод) — 2,9-3,7%;
• Si (кремний) -1,2-2,6%;
• Mn (марганец) — 0,5-1,1;
• P (фосфор) не больше 0,2-0,3%;
• S (сера) не больше 0,12-0,15%.

Допустимо легирование серого чугуна с использованием таких веществ как Cr, Ni, Cu, и некоторыми другими элементами.

Кремний в составе увеличивает графитизацию углерода. Марганец несмотря на то что затрудняет графитизацию, улучшает его механические свойства.

Химический состав СЧ определен в ГОСТ 1412-85. Серый чугун производят во многих странах мира, в США аналогом этого материала считается A48-30B, в Британии BS 200 или 220, в КНР GB HT 20, в Европейском союзе EN-JL1030 FG20.

Достоинства и недостатки

На бытовом уровне главные преимущества чугунных сплавов: нетоксичность, биосовместимость, гигиеничность, термостойкость. Благодаря этому чугунки, другая посуда не разрушается кислотно-щелочными составами (например, при варке борща), легко моется, долго остается теплой.

Для промышленников на первом плане другие достоинства:

• Простой, экономичный способ получения.
• Прочность, сохранение потребительских характеристик продукции десятилетиями.
• Возможность изготовления широкого ассортимента.

Плюс доступные цены на всю продукцию – от чушек до сковородок или декоративной скамьи.

Чугунная сковорода

Недостатки материала:

• Хрупкость.
• Трудность сваривания.
• Беззащитность перед коррозией.
• Тяжеловесность изделий.

Часто для транспортировки, сборки, обслуживания продукции требуются особые условия.

При сварке, например, заранее прогревают детали, подбирают материал, режим. То есть используют газовые установки, покрытые либо угольные электроды, проволоку из порошка.

Что может нарушить исправную работу плиты?

Принципиальное требование к посуде для индукционного оборудования — ровное дно, отсутствие царапин и сколов. Поэтому, используя эмалированную кастрюлю, нужно внимательно осматривать емкость перед нагреванием.

Большинство моделей плит имеют функцию «интенсивный нагрев». Ее частое использование может нарушить слой из эмали и повредить варочную поверхность.

Внимательно следует отнестись и к использованию адаптера для посуды. Если качество панели вызывает сомнения, то лучше отказаться от покупки.

Если вы мечтает приобрести варочную индукционную панель, — не верьте мифам о ней. Покупка специальной посуды или адаптеров для старых комплектов — разовое вложение. Быстрота нагрева, безопасность при приготовлении блюд, экономия электроэнергии — такие преимущества дает только индукционная плита.

ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЧУГУНА И СТАЛИ

Все металлы получают из руд, залегающих в земной коре. В чистом (самородном) виде добывают только платину и золото. Вначале требуется из руды удалить пустую породу, т. с. примеси различных минералов. Процесс обогащения руды возможен с помощью воды, так как руда тяжелее пустой породы и при измельчении в потоке воды легкая порода выносится, а руда остается. Применяют и другие способы обогащения руды: механические, электромагнитные, физико-химические. Для выделения металла из обогащенной руды используют технологические приемы, основанные на восстановлении металла. Хорошим восстановителем служит уголь, так как атомы углерода относительно легко отдают свои электроны.