Урок по дисциплине «Материаловедение» на тему «Чугуны. Чугун и его виды

Серый чугун имеет низкие хар-ки механич. св-в при испытаниях на растяжение. Включения графита играют роль концентраторов напряжений. Твёрдость и прочность при испытаниях на сжатие, зависящие от свойств металлической основы, у чугуна достаточно высоки. Серый чугун с пластинчатой формой графита имеет ряд преимуществ. Он позволяет получать дешёвое литьё, т.к. при низкой стоимости обладает хорошей жидкотекучестью и малой усадкой. Мех. св-ва 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. 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.

Включения графита делают стружку ломкой, след-но, чугун хорошо обрабатывается резанием. Благодаря смазывающему действию графита чугун обладает хорошими антифрикционными свойствами. Чугун имеет высокие демпфирующие св-ва, хорошо гасит вибрации и резонансные колебания. Маркируется серый чугун буквами СЧ и цифрами, характеризующими величину временного сопротивления при испытаниях на растяжение. Н-р, СЧ10 содержит (3,5…3,7)% С, (2,2…2,6)% Si, (0,5…0,8)% Mn, P<0,3% и S<0,15%, d В =100МПа, твёрдость <190НВ. СЧ35 d В =350МПа, твёрдость <275НВ.

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 называется демпфирующей способ­ностью. Демпфирующая сп-ть чугуна в 2-4 раза выше, чем у ста­ли. Высокая демпфирующая сп-ть и износостойкость обуслови­ли применение чугуна для изготовления станин различного оборудова­ния, коленчатых и распределительных валов тракторных и автомо­бильных двигателей и др. Выпускают следующие марки серых чугунов (в скобках указаны числовые значения твердости НВ): СЧ 10(143-29), 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).

По физико-механическим характеристикам серые чугуны условно можно разделить на четыре группы: малой прочности, повышенной проч­ности, высокой прочности и со специальными свойствами.

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

Модифицированный серый чугун имеет однородное строение по сечению отливки и более мелкую завихренную форму графита. Модификаторы - ферросили­ций, силикоалюминий, силикокальций и др. - добавляют в количестве 0,1 -0,3% от массы чугуна непосредственно в ковш во время его заполне­ния.

Серый и белый чугуны резко различаются по 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.

Белые чугуны используются как износостойкие конструкционные материалы. В таких чугунах весь углерод находится в связанном состоянии с карбидообразующими элементами (хром, марганец, бор, титан). При введении 5-8% Cr образуется карбид цементитного типа (Fe,Cr) 3 C, а при содержании более 10% Cr образуются сложные и твердые карбиды (Fe,Cr) 7 C 3 и (Fe,Cr) 23 C 6 . Для придания чугуну большей вязкости, жаро- или коррозионной стойкости в его состав вводят никель.

Чугунами называют железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2 % углерода . Чугун обладает более низкими механическими свойствами, чем сталь, но дешевле и хорошо отливается в изделия сложной формы. Различают несколько видов чугуна.

Белый чугун , в котором весь углерод (2,0...3,8%) находится в связанном состоянии в виде Fe3C (цементита), что и определяет его свойства: высокие твердость и хрупкость, хорошую сопротивляемость износу, плохую обрабатываемость режущими инструментами. Белый чугун применяют для получения серого и ковкого чугуна и стали.

Серый чугун содержит углерод в связанном состоянии только частично (не более 0,5%). Остальной углерод находится в чугуне в свободном состоянии в виде графита. Графитовые включения делают цвет излома серым. Чем излом темнее, тем чугун мягче. Образование графита происходит в результате термической обработки белого чугуна, когда часть цементита распадается на мягкое пластичное железо и графит по реакции Fe3C~>--»-3Fe-[-C. В зависимости от преобладающей структуры различают серый чугун на перлитной, ферритной или ферритоперлитной основе.

Свойства серого чугуна зависят от режима охлаждения и наличия некоторых примесей. Например, чем больше кремния, тем больше выделяется графита, а потому чугун делается мягче. Серый чугун имеет умеренную твердость и легко обрабатывается режущими инструментами. Серый чугун, применяемый в строительстве, должен иметь предел прочности при растяжении не менее 120 МПа, а предел прочности при изгибе 280 МПа.

Из серого чугуна отливают элементы конструкций, хорошо работающие на сжатие: колонны, опорные подушки, башмаки, тюбинги, отопительные батареи, трубы водопроводные и канализационные, плиты для полов, станины и корпусные детали станков, головки и поршни двигателей, зубчатые колеса и другие детали.

Ковкий чугун получают после длительного отжига белого чугуна при высоких температурах, когда цементит почти полностью распадается с выделением свободного углерода на ферритной или перлитной основе. Углеродные включения имеют округлую форму. В отличие от серых ковкие чугуны являются более прочными и пластичными и легче обрабатываются.

Высокопрочные (модифицированные) чугуны значительно превосходят обычные серые по прочности и обладают некоторыми пластическими свойствами. Их применяют для отливок ответственных деталей.

При испытании серого и высокопрочного чугунов определяют предел прочности при растяжении, изгибе и сжатии, а при испытании ковкого чугуна - предел прочности при растяжении, относительное удлинение и твердость.

При маркировке серого и модифицированного чугуна, например СЧ12-28, первые две цифры обозначают предел прочности при растяжении, последующие две - предел прочности при изгибе.

Cтраница 1

Белый чугун применяется в машиностроении значительно реже, чем серый, ввиду его большей хрупкости и высокой твердости, вследствие чего он не поддается механической обработке режущими инструментами.  

Белый чугун применяется в машиностроении значительно реже, чем серый, ввиду его большой хрупкости и высокой твердости, вследствие чего он не поддается механической обработке режущими инструментами.  

Белый чугун главным образом идет на переделку в сталь. Он содержит от 2 2 до 4 % углерода, который находится в химически связанном состоянии. Белый чугун отличается высокой твердостью и хрупкостью. Литейные свойства этого чугуна низкие.  

Белый чугун содержит углерод в виде цементита и имеет белый лучистый вид излома. Такой чугун отличается высокой твердостью, прочностью, высокими износостойкостью и хрупкостью. Он плохо поддается обработке резанием, поэтому его почти не используют. Применяют обычно серый чугун с включениями графита и отбеленной поверхностью, т.е. чугун, поверхностные слои которого имеют структуру белого чугуна для увеличения износостойкости, а сердцевина - структуру серого чугуна. Серый чугун обладает наилучшими технологическими и хорошими физико-механическими свойствами и является основным материалом для различных отливок. Структура металлической основы такого чугуна может быть ферритной, перлитной или перлитно-ферритной, а форма графита - пластинчатая. Излом чугуна серый, обусловленный выделением графита в металлической основе.  

Белый чугун по сравнению с серым чугуном обладает худшими литейными свойствами, очень твердый и трудно поддается резанию.  

Белый чугун для ковкого чугуна часто плавят в двух печах: вначале в вагранке, затем в электроплавильных печах, где доводят чугун до определенного химического состава и перегрева.  

Белые чугуны состоят из перлита и цементита. Из-за большого количества цементита белые чугуны имеют очень высокую твердость (НВ 450 - 600), но весьма низкую обрабатываемость. Скорости резания деталей из белого чугуна (чаще всего применяют отбеленный чугун, получаемый из серого чугуна путем его закалки) твердосплавным инструментом не превышают 3 - 10 м / мин.  

Белый чугун, применяемый для производства перлитного бело-сердечного ковкого чугуна, содержит повышенное количество углерода, поэтому для его плавки применяют только вагранку.  

Определение минимальной высоты стояка.| Типовая литниковая система для отливки из ковкого чугуна.| Значение угла а, градусы.

Белый чугун имеет большую усадку (до 2 %), плохо заполняет форму и к тому же отличается хрупкостью. Для того чтобы усадка при затвердевании металла проходила более спокойно и не образовывалось трещин в отливке, металл рекомендуется подводить через один питатель. Габаритные размеры и масса отливок позволяют это делать, так как из ковкого чугуна обычно получают мелкие отливки, масса которых не превышает 100 кг.  

Белые чугуны, применяемые для производства бронефутеровоч-ных плит (типа плавок № 115 и 226), имеют сравнительно низкую удароустойчивость, но использование их для изготовления плит - с гладкой или волнистой поверхностью (большой площадью соприкосновения с мелющими телами и измельчаемым материалом) может быть вполне оправдано.  

Сплавы железа с углеродом (> 2,14% С) называют чугуном. Присутствие эвтектики в структуре чугуна обусловливает его использование исключительно в качестве литейного сплава. Углерод в чугуне может находиться в виде цементита или графита, или одновременно в виде цементита и графита. Цементит придает излому специфический светлый блеск, поэтому чугун, в котором весь углерод находится в виде цементита, называют белым. Графит придает излому чугуна серый цвет. В зависимости от формы графита и условий его образования различают следующие группы чугунов: серый, высокопрочный с шаровидным графитом и ковкий.

Серый чугун. Серый чугун (технический) представляет собой по существу сплав Fe -- Si -- С, содержащий в качестве неизбежных примесей Mn, P и S. В структуре серых чугунов большая часть или весь углерод находится в виде графита. Характерная особенность структуры серых чугунов, определяющая многие его свойства, заключается в том, что графит имеет в поле зрения микрошлифа форму пластинок. Наиболее широкое применение получили доэвтектоидные чугуны, содержащие 2,4 -- 3,8% С. Чем выше содержание в чугуне углерода, тем больше образуется графита и тем ниже его механические свойства. В связи с этим количество углерода в чугуне обычно не превышает 3,8%. В то же время для обеспечения высоких литейных свойств (хорошей жидкотекучести) углерода должно быть не меньше 2,4%.

Серый чугун маркируется буквами С -- серый и Ч -- чугун (ГОСТ 1412 -- 70). После букв следуют цифры. Первые цифры указывают среднюю величину предела прочности при растяжении, а вторые -- среднюю величину предела прочности при испытании на изгиб. Предел прочности при изгибе используют для оценки пластичности чугуна, так как относительное удлинение у всех серых чугунов практически равно нулю.

Белый и отбеленный чугун. Белый чугун вследствие присутствия в нем цементита обладает высокой твердостью, хрупок и практически не поддается обработке резанием, поэтому имеет ограниченное применение. Отбеленными называют чугунные отливки, в которых поверхностные слои имеют структуру белого (или половинчатого) чугуна, а сердцевина -- серого чугуна. Между этими зонами может быть переходный слой. Отбел на некоторую глубину (12 -- 30 мм) является следствием быстрого охлаждения поверхности, возникающего в результате отливки чугуна в металлические формы (кокиль) или в песчаную форму. Высокая твердость поверхности (НВ 400-500) обусловливает хорошую сопротивляемость против износа, особенно абразивного, полому из отбеленного чугуна изготовляют прокатные валки листовых станов, колеса, шары для мельниц и т. д. В этом случае применяют чугун с пониженным содержанием кремния, который склонен к отбеливанию. Его примерный состав: 2,8-3,6% С; 0,5-0,8% Si; 0.4-0,6% Мп. Вследствие различной скорости охлаждения по сечению и получения разных структур отливка имеет большие внутренние напряжения, которые могут привести к образованию трещин. Для снятия напряжений отливки подвергают термической обработке, т. е. их нагревают при 500-550 С.

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.

Рассматривая химический состав чугуна следует отметить, что в него, кроме железа и углерода, обязательно входят следующие элементы:

1. Кремний (концентрация не более 4,3%). Данный элемент оказывает благоприятное воздействие на чугун, делая его более мягким и улучшая его литейные свойства. Однако слишком высокая концентрация может сделать материал более восприимчивым к пластичной деформации.
2. Марганец (не более 2%). За счет добавления этого элемента в состав существенно увеличивается прочность материала. Однако слишком большая концентрация может стать причиной хрупкости структуры.
3. Сера относится к вредным примесям, который могут существенно ухудшать эксплуатационные качества материала. Как правило, концентрация серы в составе чугуна не превышает показателя 0,07%. Сера становится причиной появления трещин при нагреве состава.
4. Фосфор содержится в составе в концентрации менее 1,2%. Повышение концентрации фосфора в составе становится причиной появления трещин при охлаждении состава. Кроме этого, данный элемент становится причиной ухудшения других механических качеств.

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:

1. Стоимость материала существенно ниже стоимости других сплавов. Именно поэтому его применяют для создания самых различных изделий.
2. Рассматривая плотность чугуна, отметим, что данный показатель существенно ниже, чем у стали, за счет чего материал становится намного легче.
3. Температура плавления чугуна может несколько различаться в зависимости от его структуры, в большинстве случаев составляет 1 200 градусов Цельсия. За счет включения в состав различных добавок температура плавления чугуна может существенно повышаться или уменьшаться.
4. При выборе материала многие уделяют внимание тому, что цвет чугуна может несколько отличаться в зависимости от структуры и химического состава.

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:

1. Литейные обозначаются буквой Л.
2. Серый получил широкое распространение, для его обозначения применяется сочетание букв «СЧ».
3. Ковкий обозначают КЧ.
4. Предельный или белый обозначают буквой П.
5. Антифрикционный или серый обозначают АЧС.
6. Легированные чугуны могут обладать самым различным химическим составом и обозначаются буквой «Ч».

Технология производства чугуна предусматривает проведение нескольких этапов, которые позволяют получить требуемую структуру. Рассматривая процесс получения чугуна, отметим следующие моменты:

1. Производство проводится в специальных доменных печах.
2. Легированный и жаростойкий чугун могут получаться при использовании в качестве сырья железной руды.
3. Технология представлена в восстановлении оксидов железа руды. В результате перестроения кристаллической решетки и изменения структуры на выходе получается материал, который называют чугуном.
4. Рассматривая способы производства, отметим, что особенности технологии также заключаются в применяемых материалах – коксах. Под коксом подразумевают природный газ или термоантрацит, выступающие в качестве топлива.
5. Изготовление чугуна предусматривает отпуск железа в твердой форме при применении специальной печи. На данном этапе получается жидкий чугун.

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:

1. . Эта разновидность материала характеризуется низкой пластичностью и высокой вязкостью, а также хорошей обрабатываемостью резанием. В составе углерод содержится в виде графита. Область применения – машиностроение; производство деталей, работающих на износ. Как показывает практика, концентрация фосфора может варьироваться в достаточно большом диапазоне: от 0,3 до 1,2%. За счет особого химического состава материал обладает высокой текучестью и часто применяется в художественном литье. Антифрикционный чугун обходится в относительно невысокую стоимость, что также определяет его широкое распространение.
2. . За счет того, что в этом составе углерод представлен в качестве цементита, структура характеризуется чрезвычайной хрупкостью и повышенной твердостью, а также низкими литейными свойствами и плохой обрабатываемостью резанием. Стоит учитывать, что белый чугун применяется для переделки в сталь или изготовлении ковкого. Очень часто его называют предельным.
3. Половинчатый характеризуется повышенной устойчивостью к износу, что связано с распределением углерода на цементитную и свободную основу. Часто эта разновидность материала применяется в машиностроении и станкостроении.
4. Легированный. Для того чтобы придать особые свойства чугуну также проводится его легирование. Легированный чугун обладает повышенной износостойкостью, коррозионной стойкостью за счет включения в состав никеля и хрома, а также меди. Подобные варианты исполнения чугуна получают свое название в зависимости от того, как легирующий элемент использовался при их изготовлении.
5. Высокопрочный чугун производится путем введения в состав жидкого серого чугуна различных элементов, к примеру, магния и кальция. В результате легирования меняется форма графита – он напоминает шар и при этом не меняет кристаллическую решетку. Стоит учитывать, что по своим свойствам этот металл напоминает углеродистую сталь, применяется, в основном, при изготовлении различных износостойких деталей.
6. Ковкий. Получают его при переплавке белого чугуна, который следует нагреть до высокой температуры и выдерживать в подобном состоянии. В некоторых случаях для придания составу особых качеств проводится добавление легирующих элементов. Основными свойствами можно назвать высокую вязкость и повышенную степень пластичности. Получил широкое распространение в машиностроительной промышленности.
7. Специальный. Представляет собой сплав, в который входит большое количество марганца и кремния. Зачастую применяется для удаления кислорода из стали при его производстве или переплавке, за счет чего понижается температура плавления.

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:

1. Для производства различных деталей в машиностроительной отрасли. На протяжении многих лет именно этот сплав применяется при изготовлении самых различных деталей для двигателя внутреннего сгорания. При этом автопроизводители проводят изменение основных свойств материала путем его легирования, что необходимо для достижения уникальных качеств. Кроме этого, большое распространение получили тормозные колодки из данного сплава.
2. Изделия из чугуна могут выдерживать воздействие низкой температуры. Поэтому материал применяется при производстве техники и инструментов, которые эксплуатируются в жестких климатических условиях.
3. Ценится чугун в металлургической области. Это связано с невысокой стоимостью, которая во многом зависит от концентрации углерода и особенностей получаемой структуры. Высокие литейные качества также делают материал более привлекательным. Получаемые изделия характеризуются высокой прочностью и износостойкостью.
4. На протяжении нескольких последних десятилетий рассматриваемый сплав широко применяется при изготовлении сантехнического оборудования. Это связано с высокими антикоррозионными способностями, а также возможностью получения изделий самой различной формы. Примером можно назвать чугунные ванны и радиаторы, различные трубы, батареи и мойки. Несмотря на появление материалов, которые могли бы заменить чугун, подобные изделия пользуются большой популярностью. Это связано с тем, что они сохраняют первозданный вид на протяжении длительного периода эксплуатации.
5. Применяется сплав и для изготовления различных декоративных элементов, что связано с высокими литейными качествами. Примером можно назвать решетку для перил, различные статуэтки и многое другое.

Кроме этого, область применения зависит от нижеприведенных свойств рассматриваемого материала:

1. Некоторые марки обладают высокой прочностью, которая характерна для стали. Именно поэтому материал применяется даже после появления современных сплавов.
2. Чугунные изделия могут на протяжении длительного периода сохранять тепло. При этом тепловая энергия может равномерно распространяться по материалу. Эти качества стали использоваться при изготовлении отопительных радиаторов или других подобных изделий.
3. Принято считать, что чугун – экологически чистый материал. Именно поэтому его часто применяют при изготовлении различной посуды, к примеру, казана.
4. Высокая стойкость к воздействию кислотно-щелочной среды.
5. Высокая гигиеничность, так как все загрязняющие вещества могут легко удаляться с поверхности.
6. Рассматриваемый материал характеризуется достаточно длительным сроком службы при условии соблюдения рекомендаций по эксплуатации.
7. Входящие в состав химические вещества не могут нанести вреда здоровью.

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.