чугуны подразделяют на какие группы
«Железное литьё» известно человечеству с незапамятных времен. В наше время оно широко используется во многих сферах народного хозяйства и носит название – чугун. И если о коленвалах, картерах редукторов, ступицах колес, арматуре обычный человек может и не знать, то о сковородках, чугунках, радиаторах, ваннах, решетках и других чугунных изделиях знают все.
Металлургическая промышленность производит разные простые и специальные виды чугуна, для каждого из которых существует своя сфера применения.
Особенности чугунов
Чугун – железоуглеродистый сплав, выплавляемый с использованием топлива из магнитного, красного или бурого железняка, с добавлением специальных неорганических веществ – плавней (флюсов).
Очень многие не видят принципиальных отличий между сталью и чугуном, ошибочно предполагая, будто это одно и тоже.
Оба продукта металлургии являются сплавами – состоят из нескольких компонентов, одним из которых является железо.
Чугун выступает сырьём для производства стали.
Технологические свойства:
Присутствие углерода:
Внешние отличия:
Различные физические характеристики
К минусам чугуна можно отнести:
У чугуна низкая себестоимость, он дешевле стали.
Добавки и примеси
Весь поставляемый чугун регламентирован ГОСТами по своему химическому составу и содержанию примесей. Чугунное литьё, помимо железа, имеет в себе некоторые «ингредиенты», влияющие на конечный продукт и добавляющие определенные особенности:
С целью улучшения исходного материала чугун легируют, то есть вводят различные легирующие добавки, изменяющие физические и/или химические свойства.
Чугуны с большим содержанием кремния и марганца в составе относят к легированным.
Классификация чугунов
Металлургическая промышленность выпускает разные виды чугуна. Сорт зависит от участвующих в сплаве форм графита или цементита и остальных компонентов.
Серый чугун (СЧ)
Обозначают буквами СЧ. На разрезе – серовато-черный, что обусловлено присутствием графита, этого природного цвета. В составе также присутствуют различные примеси, в том числе и кремний. Этот вид чугуна, свободно поддающийся резке и часто употребляющийся в машиностроительной отрасли для «неосновных» деталей, при добавлении фосфора становится жидкотекучим. Применим для всех видов литья, в том числе художественного.
Белый чугун
На разрезе светлый, благодаря присутствию карбида железа. Подвергается дальнейшей переработке на ковкий чугун и сталь. Поэтому сорт называют передельным. Свойства – хрупкость и твердость, слабо обрабатываемый, не годится для самостоятельного использования. Твердый, слабо подвержен обработке, хрупкий – такие свойства делают его непригодным для самостоятельного использования.
Ковкий чугун
Свойства – не поддаётся обработке давлением, но при этом обладает повышенной сопротивляемостью ударам и прочностью при растяжении. Ковкий чугун подходит для изготовления деталей усложненной конфигурации.
Высокопрочный
Маркируют буквами ВЧ. Получают при введении в серый жидкий чугун спецдобавок, для придания графиту сфероидальной формы. Высокопрочный вид чугуна применяют для изготовления ответственных деталей – шестерён, коленвалов, поршней, которые должны иметь высокую износоустойчивость.
Форма выпуска передельного и литейного видов – специальные формы – чушки. Современные технологии позволяют получить полуфабрикаты, квадратные, листовые, пластинчатые, брусковые заготовки разновидностей чугуна.
В зависимости от назначения и химсостава выделяют следующие разновидности чугуна:
Они имеют названия, соответствующие металлам-добавкам:
Легированные виды более всего востребованы в производстве агрегатов, механизмов, узлов и деталей, работающих в особо неблагоприятных средах и условиях.
Чугун, отличающийся увеличенным процентным включением ферромарганца или ферросилиция, относят к специальным – ферросплавам. Добавляются в сталеплавильном производстве для выделения кислорода – раскисления.
К легированным чугунам относят:
Жаростойкий вид маркируют буквами ЖЧ. Далее указывается буква обозначающая легирующий элемент. Например, ЖЧХ-2,5. Это жаростойкий чугун с добавлением хрома 2,5%.
К жаростойким относят марки: ЧН19ХЗШ.
К коррозионностойким: маркировка ЧНХТ, ЧН1МХД
Еще их называют специальными чугунами.
Производство
Технология промышленного извлечения железа из железосодержащего сырья и получение чугуна достаточно трудоёмкая и сложная. Нет смысла описывать все химические и технологические процессы и углубляться в терминологию. Изучить вопрос можно при желании в источниках по металлургии.
Чугун выплавляют из магнитного, красного, бурого железняка, на металлургических комбинатах, в специальных доменных печах. Топливом служит кокс, который частично могут заменять мазутом или газом.
Руда проходит предварительную подготовку, прежде чем попасть в доменную печь. Помимо руды и топлива, для плавки используют флюсы – известняки, необходимые для образования шлака и удаления серы из расплава.
Методы подготовки зависят от качества руды – это дробление, сортировка, окусковывание, обогащение и другие.
Пройдя все сложные процессы, руда превращается в шихту, которая непрерывно загружается в доменную печь.
Через фурмы в нижней части подается раскаленный воздух, обогащенный кислородом и природный газ, который сгорает под воздействием высоких температур, образуя диоксид кислорода. Поднимаясь выше, газ соединяется с кислородом и с еще не сгоревшим углеродом, преобразуясь в угарный газ СО. Он вступает в реакцию с оксидами железа, «отбирая» у них кислород.
В результате образуется почти чистый металл. Расплавленная чугунная масса стекает в горн. Несгораемые остатки также стекают вниз.
Готовый чугун сливают через определенные промежутки времени в специальные ковши.
Пока в печи идет процесс плавки, отверстие, через которое выпускают чугун, забивают специальной пробкой из тугоплавкой массы. Чтобы выпустить металл, в пробке пробивают отверстие. По специальным каналам в полу цеха поток расплавленного металла течет «красным сливом».
Жидкий шлак также выпускают из печи по другому каналу.
С каждой плавки берется проба. Металл заливают в специальную форму и делают анализ. Все процессы автоматизированы. За ними следят операторы.
А простому обывателю домна представляется гигантской пробиркой, в которой происходит «таинство» превращения железной руды в чугун.
Преимущества «железного литья»
Чугуны, как и любые материалы, имеют определенные плюсы и минусы, при эксплуатации различной продукции из них – запчастей к автомобилям, деталей станков, сантехнического оборудования и других изделий.
Основу черной металлургии в нашей стране составляет производство чугуна, стали и проката. Крупнейшим потребителем «железного литья» являются такие стратегически важные отрасли как металлообработка, машиностроение, строительство, транспорт, легкая промышленность, химическая и другие.
Железное литьё не сдает свои позиции и в производстве товаров народного потребления – чугунные котлы, сковородки, утятницы, ограды. Искусные мастера из этого металла создают самые настоящие произведения искусства – каминные решетки, ограды, скамейки, перила, украшая их ажурными чугунными кружевами.
Чугун
Чугун начали применять много десятилетий назад. Этот материал обладает особыми эксплуатационными характеристиками, которые отличаются от свойственных стали. Производство чугуна, несмотря на появление большого количества различных сплавов, налажено во многих странах. Для того чтобы определить свойства чугуна, следует рассмотреть особенности его химического состава, от чего зависят те или иные физические качества.
Химический состав чугуна является важным фактором, который во многом определяет механические свойства получаемых отливок. Кроме этого, на многие свойства оказывает влияние механизмы первичной и вторичной кристаллизации.
Содержание углерода в чугуне может варьироваться в пределах от 2,14 до 6,67 процентов. Современные технологии производства позволяют с высокой точностью контролировать концентрацию всех элементов в составе, за счет чего снижается показатель хрупкости и увеличиваются другие эксплуатационные характеристики.
Рассматривая химический состав чугуна следует отметить, что в него, кроме железа и углерода, обязательно входят следующие элементы:
Как и во многих других составах, наиболее важным из химических элементов чугуна является углерод. От его концентрации и вида зависит разновидность материала. Структура чугуна может существенно различаться в зависимости от применяемой технологии производства.
Физический свойства
Чугун получил широкое распространение благодаря привлекательным физическим качествам:
Температура кипения чугуна также во многом зависит от химического состава. Для того, чтобы рассмотреть физические свойства материала, следует уделить внимание каждой его разновидности. Иная структура и химический состав становятся причиной придания иных физико-механических качеств.
Технология производства
Выплавка чугуна проводится на протяжении нескольких десятилетий, что связано с его уникальными эксплуатационными качествами. Большое количество разновидностей сплавов определяет применение особых правил маркировки. Маркировка чугунов проводится следующим образом:
Технология производства чугуна предусматривает проведение нескольких этапов, которые позволяют получить требуемую структуру. Рассматривая процесс получения чугуна, отметим следующие моменты:
Оборудование для производства чугуна может существенно отличаться. Кроме этого, применяемая технология производства во многом определяет то, какой будет получен материал. Примером можно назвать производство ВЧШГ, которое связано с приданием структуре необычную форму.
Разновидности чугуна
Существует довольно большое количество разновидностей рассматриваемого материала. Классификация чугунов во многом зависит от структуры и химического состава. Выделяют следующие виды чугуна:
Каждая разновидность чугуна обладает своей особой структурой и химическим составом, которые и определяют область применения.
Применение
Из-за особых физико-механических качеств применение чугуна стало возможно в самых различных сферах:
Кроме этого, область применения зависит от нижеприведенных свойств рассматриваемого материала:
В заключение отметим, что давно открытая технология производства рассматриваемого материала на протяжении многих лет оставалась практически неизменной. Это связано с тем, что при относительно невысоких затратах можно было получить большой объем расплавленного сплава. На сегодняшний день часто проводится производство материала из лома, что позволяет еще в большой степени снизить себестоимость получаемого продукта.
Классификация чугунов
В структуре чугуна присутствует ледебурит или графит, поэтому чугуны хрупкие и не поддаются ковке, используются для получения литых изделий.
В зависимости от формы выделения углерода различают следующие чугуны:
Микроструктура чугуна состоит из металлической стальной основы и включений графита. От металлической основы чугуна зависит его твердость, она может состоять из перлита, феррита и перлита или из феррита. Графит имеет низкую прочность, места его залегания в структуре ослабляют металлическую основу чугуна.
Серый чугун характеризуется низкими механическими свойствами при растяжении, хорошей жидкотекучестью, легко обрабатывается резанием, обладает хорошими антифрикционными свойствами, гасит вибрации и колебания. Для получения серого чугуна в жидкий чугун добавляют кремний (1,2—3,5 %). При затвердевании чугуна кремний способствует выделению из жидкости углерода в виде графита. Серый чугун содержит графит пластинчатой формы. Пластинки графита делают стружку ломкой, облегчая обработку
Рис. 10. Структура чугуна с графитом различной формы: а — пластинчатый графит в сером чугуне; б — шаровидный графит в высокопрочном чугуне; в — хлопьевидный графит в ковком чугуне чугуна резанием. Графит, являясь смазкой, впитывает смазку, что снижает коэффициент трения и повышает износостойкость, но разрыхляет металлическую основу и резко уменьшает ее прочность.
Чем больше графита и чем крупнее его включения, тем ниже механические свойства чугуна, так как пластинки графита, имея малую прочность, являются как бы готовыми трещинами в металлической основе. Измельчение графита увеличивает прочность чугуна, но пластическое удлинение при растяжении все равно мало. Для измельчения графита к жидкому чугуну добавляют модификаторы — ферросилиций и др. Чугун называется модифицированным, он более прочный и износостойкий.
Серые чугуны маркируют буквами СЧ и цифрами (ГОСТ 1412-85), показывающими предел прочности при испытаниях на растяжение: СЧ10, СЧ15, СЧ18, СЧ20, СЧ21, СЧ24, СЧ25, СЧЗО, СЧ35, СЧ40, СЧ45. Например, СЧ10 — серый чугун, предел прочности при растяжении 100 МПа.
Серые чугуны находят широкое применение в производстве дизельных и холодильных установок РПС (блоки и головки цилиндров, картеры дизелей и компрессоров; корпусы масляных фильтров; поршневые кольца и др); при производстве насосов систем отопления пассажирских вагонов, в электромашиностроении, для изготовления корпусов и крышек тормозных цилиндров вагонов. Для этих целей используют чугуны марок СЧ15, СЧ18, СЧ20, СЧ25.
Высокопрочный чугун получают путем модифицирования серого чугуна, перед разливкой вводят в него магний в количестве до 0,5 %. Магний увеличивает поверхностное натяжение графита с образованием пузырьков пара, в которые диффундирует углерод. После затвердевания графит приобретает округлую форму. Высокие механические свойства этого чугуна обусловлены тем, что шаровидный графит меньше разобщает металлическую основу чугуна, благодаря чему высокопрочный чугун имеет высокую прочность при достаточной пластичности и вязкости.
Высокопрочный чугун обладает жаростойкостью, хорошими антифрикционными и литейными свойствами, достаточной износостойкостью.
Маркируют высокопрочный чугун буквами ВЧ и цифрой, характеризующей величину предела прочности при растяжении, например, ВЧ35, ВЧ40 (ГОСТ 7293-85).
Из высокопрочных чугунов изготовляют ответственные детали: зубчатые колеса, коленчатые валы дизелей тепловозов, ступицы, кронштейны, шатуны, поршневые кольца, картерные детали.
Ковкий чугун — это условное название мягкого и вязкого чугуна, изделия из него получают литьем, методы пластической деформации не применяют. Ковкий чугун получают из белого путем гра- фитизирующего отжига. После отжига свободный углерод имеет форму хлопьевидного графита. Прочность ковкого чугуна в 2,5— 3 раза больше прочности серого, он обладает высокой пластичностью по сравнению с серым чугуном. Его можно подвергать ударным нагрузкам. Недостатком чугуна является его высокая стоимость из-за продолжительного дорогостоящего отжига (25—30 ч).
Согласно ГОСТ 1215-79 ковкий чугун обозначают буквами КЧ и двумя цифрами: первая обозначает предел прочности при растяжении, а вторая — относительное удлинение в процентах. Например, КЧ50-5.
Из ковких чугунов изготавливают головки и наконечники соединительных рукавов воздушной тормозной магистрали и крышки букс вагонов, ряд деталей электрических машин и др.
Отливки из ковкого чугуна применяют в сельскохозяйственном машиностроении (шестерни, рычаги, звенья цепей, ступицы), ва- гоно- и судостроении (кронштейны, детали тормозной системы, подшипники), в электропромышленности.
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.