Чугун и его свойства

Историческая справка Историческая справка. Первые сведения о Чугун относятся к 6 в. до нашей эры. В Китае из высокофосфористых железных руд получали Чугун, содержащий до 7% Р,железных с низкой температурой плавления, из которого отливали различные изделия. Чугун был известен и античным металлургам 45 вв. до нашей эры. Производство Чугун в Западной Европе началось в 14 в. с появлением первых доменных печей (штюкофенов) для выплавки Чугун из руд. Полученный Чугун использовали для изготовления различных строительных деталей и оружия (пушки, ядра, колонны и др.). В России производство Чугун началось в 16 в.; в дальнейшем оно непрерывно расширялось, и при Петре I Россия по выпуску Чугун превзошла все страны, но через столетие отсталаI от западно-европейских стран. Появление во 2-й пол. 18 в. вагранок позволило литейным цехавагранок м отделиться от доменных, т. е. положило начало независимому существованию чугунолитейного производства (при машиностроительных заводах). В начале 19 в. возникает производство ковкого Чугун Во 2-й четверти 20 в. начинают применять легирование чугуна, что дало возможность существенно повысить его свойства и получать специальный Чугун (износостойкие, коррозионностойкие, жаростойкие и т.д.). К этому же периоду относится также разработка способов модифицирования Чугун В конце 40-х гг. был получен модифицированный Чугун с включениями графита шаровидной формы вместо обычной пластинчатой, что обусловливало значительно более высокую прочность металла (sь до 500 Мн/м 2, или 50 кгс/мм 2, в литом состоянии и 1200 Мн/м 2, или 120 кгс/мм 2 после термической обработки; такой Чугун получил название высокопрочного. В 60-х гг. в электрических печах начали получать из стальных отходов с добавлением карбюризаторов т. н. синтетический Чугун с высокими механическими свойствами при пластинчатой форме графита

Чугун сплав железа с углеродом (и другими элементами). Содержание углерода в чугуне не менее 2,14% (точка предельной растворимости углерода в аустените на диаграмме состояний): меньше сталь. Углерод придаёт сплавам железа прочность и твёрдость, снижая пластичность и вязкость. Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита и графитаВ зависимости от формы графита и количества цементита, выделяют белый, серый, ковкий и высокопрочные чугуны. Чугуны содержат постоянные примеси (Si, Mn, S, P), а в некоторых случаях также легирующие элементы (Cr, Ni, V, Al и др.). Как правило, чугун хрупок.сплав железа углеродом% диаграмме состояний сталь прочность твёрдость пластичность вязкость цементита графита примесиSiMnSPлегирующие элементыCrNiVAlхрупок

По химическому составу: Серый Белый Половинчатый Высокопрочный Ковкий

Диаграмма железо - цементита

В результате превращения углерод может не только химически взаимодействовать с железом, но и выделяться в элементарном состоянии в форме графита. Жидкая фаза, аустенит и феррит могут находиться в равновесии и с графитом. Диаграмма состояния железо – графит показана штриховыми линиями на рис. 1. Линии диаграммы находятся выше линий диаграммы железо – цементит. Температуры эвтектического и эвтектоидного преврашений,соответственно, 1153 o С и 738 o С. Точки C, E, S – сдвинуты влево, и находятся при концентрации углерода 4,24, 2,11 и 0,7 %, соответственно. При высоких температурах цементит разлагается с выделением графита, поэтому диаграмма состояния железо – цементит является метастабильной, а диаграмма железо – графит – стабильной. Процесс образования графита в сплавах железа с углеродом называется графитизацией.

Серый чугун Серый чугун - наиболее широко применяемый вид чугуна (машиностроение, сантехника, строительные конструкции) - имеет включения графита пластинчатой формы. Для деталей из серого чугуна характерны малая чувствительность к влиянию внешних концентраторов напряжений при циклических нагружениях и более высокий коэффициент поглощения колебаний при вибрациях деталей (в 2-4 раза выше, чем у стали). Важная конструкционная особенность серого чугуна - более высокое, чем у стали, отношение предела текучести к пределу прочности на растяжение. Наличие графита улучшает условия смазки при трении, что повышает антифрикционные свойства чугуна. Свойства серого чугуна зависят от структуры металлической основы, формы, величины, количества и характера распределения включений графита. Перлитный серый чугун имеет высокие прочностные свойства и применяется для цилиндров, втулок и др. нагруженных деталей двигателей, станин и т.д. Для менее ответственных деталей используют серый чугун с ферритно-перлитной металлической основой.

Белый чугун Белый чугун представляет собой сплав, в котором избыточный углерод, не находящийся в твёрдом растворе железа, присутствует в связанном состоянии в виде карбидов железа Fe3C (цементит) или т. н. специальных карбидов (в легированном чугуне). Кристаллизация белых чугунов происходит по метастабильной системе с образованием цементита и перлита. Белый чугун вследствие низких механических свойств и хрупкости имеет ограниченное применение для деталей простой конфигурации, работающих в условиях повышенного абразивного износа. Легирование белого чугуна карбидообразующими элементами (Cr, W, Mo и др.) повышает его износостойкость.абразивного

Половинчатый чугун Половинчатый чугун содержит часть углерода в свободном состоянии в виде графита, а часть - в связанном в виде карбидов. Применяется в качестве фрикционного материала, работающего в условиях сухого трения (тормозные колодки), а также для изготовления деталей повышенной износостойкости (прокатные, бумагоделательные, мукомольные валки).

Высокопрочный чугун Высокопрочный чугун, характеризующийся шаровидной или близкой к ней формой включений графита, получают модифицированием жидкого чугуна присадками Mg, Ce, Y, Ca и некоторых др. элементов (в чистом виде или в составе сплавов). Шаровидный графит в наименьшей степени ослабляет металлическую матрицу, что приводит к резкому повышению механических свойств чугуна с чисто перлитной или бейнитной структурой, приближая их свойства к свойствам углеродистых сталей. При чисто ферритной матрице (в литом или термообработанном состоянии) обеспечивается повышенный уровень пластичности.

Ковкий чугун Ковким называется чугун в отливках, изготовленных из белого чугуна и подвергнутых последующему графитизирующему отжигу, в результате чего цементит распадается, а образующийся графит приобретает форму хлопьев. Ковкий чугун обладает лучшей демпфирующей способностью, чем сталь, и меньшей чувствительностью к надрезам, удовлетворительно работает при низких температурах. Механические свойства ковкого чугуна определяются структурой металлической основы, количеством и степенью компактности включений графита. Металлическая основа ковкого чугуна в зависимости от типа термообработки может быть ферритной, ферритно-перлитной и перлитной. Наиболее высокими свойствами обладает ковкий чугун, имеющий матрицу со структурой зернистого перлита; им можно заменять литую или кованую сталь. В тех случаях, когда требуется повышенная пластичность, применяют ферритный ковкий чугун. Для интенсификации процесса графитизации при термообработке ковкий чугун модифицируют Te, В, Mg и др. элементами. Наблюдается тенденция (особенно в автомобилестроении) к замене ковкого чугуна высокопрочным с шаровидным графитом с целью повышения прочности отливок, уменьшения длительности технологического цикла и упрощения технологии изготовления.

Хорошие свойства у отливок обеспечиваются, если в процессе кристаллизации и охлаждения отливок в форме не происходит процесс графитизации. Чтобы предотвратить графитизацию, чугуны должны иметь пониженное содержание углерода и кремния. Ковкие чугуны содержат: углерода – 2,4…3,0 %, кремния – 0,8…1,4 %, марганца – 0,3…1,0 %, фосфора – до 0,2 %, серы – до 0,1 %. Формирование окончательной структуры и свойств отливок происходит в процессе отжига, схема которого представлена на рис. 2.

Область применения Области применения. Ковкий чугун как конструкционный материал широко применяют в различных отраслях машиностроения благодаря высоким физико-механическим свойствам отливок, несложной и стабильной технологии их производства и более низкой стоимости по сравнению с отливками из стали, поковками и штамповками. Основным потребителем отливок из ковкого чугуна является автомобиле тракторостроение, сельхозмашиностроение и другие отрасли промышленности. На машиностроительных заводах производят в основном ферритный ковкий чугун, и в крайне незначительном количестве перлитный, хотя последний и обладает высокой прочностью, износостойкостью, хорошо работает в условиях повышенных температур, обладает высокой усталостной прочностью, хорошо гасит вибрации и т. д. Из перлитного ковкого чугуна можно изготовлять такие детали, как коленчатые и распределительные валы, поршни дизельных двигателей, коромысла клапанов, детали сцепления, а так же станины рамы прессов и прокатных станков. Основными промышленными центрами России по производству чугуна являются: - Магнитогорский металлургический комбинат; - Челябинский металлургический комбинат; - Нижнетагильский металлургический комбинат (ОАО Уральская сталь). Основными месторождениями сырья в России: 1. Курская магнитная аномалия. 2. Кольский полуостров.

Объем производства Мировая топ-десятка стран-производителей чугуна выглядит следующим образом:

Освоенные методы литья: Чугунное литье в землю. Чугунное литье в холодно-твердеющие смеси (ХТС). Чугунное литье в кокиль. Дополнительные возможности производства: Термообработка отливок. Механическая обработка. Изготовление моделей и кокилей. На сегодняшний день налажен выпуск следующих видов чугунных заготовок: станины, тумбы, корпуса, рамы, цилиндры, шаботы молотов, траверсы, кольца, диски, трубы, шкивы, маховики, котлы, плиты, подкладки, рукоятки, шестерни, шайбы, втулки, рычаги, муфты, крышки, бабки, суппорты, бандажи, колеса, фланцы, изложницы

Механическая обработка отливок Фрезерные операции Шлифовальные Сверлильные операции Токарные операции

Конец.