Какие примеси содержатся в чугуне
Обычный промышленный чугун — не двойной железоуглеродистый сплав — он содержит те примеси, что и углеродистая сталь, т. е. марганец, кремний, серу и фосфор, но в большем количестве, чем сталь. Эти примеси существенно влияют на условия графитизации и, следовательно, на структуру и свойства чугуна.
Кремний особенно сильно влияет на структуру чугуна, усиливая графитизацию. Содержание кремния в чугунах колеблется в широких пределах: от 0,3-0,5 до 3-5 %. Изменяя содержание кремния, можно получить чугуны, совершенно различные по свойствам и структуре — от малокремнистого белого до высококремнистого ферритного (серого с пластинчатым или высокопрочного с шаровидным графитом).
Марганец в отличие от кремния препятствует графитизации или, как говорят, способствует отбеливанию чугуна.
Сера также способствует отбеливанию чугуна, но одновременно ухушает литейные свойства (в частности, снижает жидкотекучесть), поэтому содержание серы в чугуне лимитируется: верхний предел для мелкого литья для более крупного, когда можно допустить несколько худшую жидкотекучесть, до
Фосфор практически не влияет на процесс графитизации. Однако фосфор — полезная примесь в чугуне, так как он улучшает жидкотекучесть. Это объясняется образованием относительно легкоплавкой тройной эвтектики, плавящейся при . В момент затвердевания эвтектика состоит из аустенита, обогащенного фосфором, цементитом и фосфидом железа — «Стэдит».
Твердые участки фосфидной эвтектики повышают общую твердость и износоустойчивость чугуна.
Кроме этих постоянных примесей, в чугун часто вводят и другие элементы. Такие чугуны называются легированными. Если примеси содержались в рудах, из которых в доменной печи выплавляется чугун, то такие чугуны называются природно-легированными. Наиболее часто чугун легируют хромом, никелем, медью, алюминием, титаном. Хром препятствует, а медь и никель способствуют графитизации чугуна.
В настоящее время еще нет удовлетворительно разработанной теории, объясняющей влияние легирующих элементов на графитизацию.
Рис. 168. Структурная диаграмма для чугуна, показывающая, какая должна получиться структура в отливке в зависимости от: а — содержания кремния и углерода (толщина стенки 50 мм): б — суммы содержаний углерода и кремния и от толщины стенки; I — белые чугуны; II — перлитные чугуны; III — серые ферритные чугуны
Во всяком случае растворение в цементите таких элементов, как хром, марганец, вольфрам, молибден, ванадий, препятствуют графитизации. Большинство остальных элементов, встречающихся в чугунах, нерастворимо в цементите и способствует графитизации. Этот вопрос рассматривается во многих теоретических и экспериментальных работах (М. Г. Окнова, К. П. Бунина, И. Н. Богачева и др.).
Для приближенного определения структуры чугуна в зависимости от содержания примесей пользуются так называемыми структурными диаграммами, одна из которых приведена на рис. 168, а. Из диаграммы видно, какой будет структура у отливок с толщиной стенок 50 мм в зависимости от содержания в чугуне углерода и кремния (содержание марганца постоянно и равно
Практикой было отмечено, что в одной отливке чугун может иметь разную структуру. В тонких частях отливки, у ее поверхности степень графитизации меньше, чем в более массивных частях и в сердцевине. Другими словами, там, где скорость охлаждения была больше, образуется больше цементита, а там, где чугун охлаждается медленнее — больше графита. Факторы, определяющие степень графитизации в чугуне, — это содержание углерода и кремния, а также скорость охлаждения.
Чтобы определить, как зависит структура чугуна от состава (содержание углерода и кремния) и скорости охлаждения (толщина стенки отливки), можно воспользоваться другой структурной диаграммой (рис. 168, б).
У этого термина существуют и другие значения, см. Чугун (значения).
Чугу́н — сплав железа с углеродом (и другими элементами), в котором содержание углерода не менее 2,14 % (точка предельной растворимости углерода в аустените на диаграмме состояний), а сплавы с содержанием углерода менее 2,14 % называются сталью. Углерод придаёт сплавам железа твёрдость, снижая пластичность и вязкость. Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита и графита. В зависимости от формы графита и количества цементита, выделяют белый, серый, ковкий и высокопрочный чугуны. Чугуны содержат постоянные примеси (Si, Mn, S, P), а в некоторых случаях также легирующие элементы (Cr, Ni, V, Al и другие). Как правило, чугун хрупок.
Выплавляется чугун, как правило, в доменных печах. Температура плавления чугуна — от 1150 до 1200 °C, то есть примерно на 300 °C ниже, чем у чистого железа.
Этимология[править | править код]
В русском языке слово чугун имеет тюркское происхождение, в тюркских же языках термин, вероятно, от кит. трад. 鑄, пиньинь zhù, палл. чжу, буквально: «лить; отливать (металл)» и кит. трад. 工, пиньинь gōng, палл. гун, буквально: «дело»[1]. Это связано с тем, что чугун представлял собой железный сплав низкой плавки. В финском языке чугун обозначается словом Valurauta, которое имеет два корня и переводится как литое железо (rauta).
История[править | править код]
Технологию литья чугуна освоили в Китае, откуда этот термин (через татаро-монгольское посредничество) попал в Россию[1]. В X веке в Китае появляются чугунные монеты, однако в широком применении вплоть до XIX века оставались бронзовые монеты[2]. В XI веке был возведен чугунный шпиль пагоды Линсяо. XIV веком датируют находки чугунных котлов Золотой Орды (Тульская область)[3], однако на территории Монголии (Каракорум) монголы умели изготовлять чугунные котлы ещё в XIII веке[4].
В 1339 году (в годы Столетней войны) при обороне французского города Камбре уже использовались чугунные пушки наряду с бронзовыми. В 1403 году в Китае (Пекин) был отлит чугунный колокол[5]. C 1411 года англичане начинают вооружать чугунными пушками свои корабли[6]. В том же XV веке во Фландрии начинают лить чугунные ядра, которые вытесняют каменные[7]. В XVI веке в России (при Иване Грозном) из чугуна начали изготавливаться пушки[8]. Ввиду отсутствия у чугуна такого свойства как ковкость, его широкое производство стало возможным благодаря внедрению технологии доменной печи. Чугунные пушки появились у маньчжуров лишь в 1631 году[9], а в Китае они были известны со времени династии Мин[10], которая потеряла власть в 1644 г.
В 1701 году Каменский чугунолитейный завод на Урале (Россия) производит первую партию чугуна (262 кг). На Урале чугунное литье превратилось в народный промысел (Каслинское литьё). В XVIII веке в Англии появился первый чугунный мост (в России чугунный мост появился лишь в начале XIX века). Это стало возможным благодаря технологии Вилкинсона. В том же веке из чугуна начали изготавливать рельсы[11] (Чугунный колесопровод). Помимо промышленного использования чугун продолжал использоваться и в быту. В XVIII веке появились чугунки, которые широко стали использоваться в русской печи[12].
К концу XVIII века Россия занимала первое место по производству чугуна и выдавала 9 908 тыс. пудов чугуна, в то время как Англия — 9 516 тыс. пудов, дальше шли Франция, Швеция, США.[13]
В 1806 году Великобритания выплавляла 250 тыс. тонн чугуна, занимая 1-е место в мире по его производству, а к середине XIX века в Великобритании была сосредоточена половина мирового чугунного производства. Однако в 1890 году 1-е место по производству чугуна заняли США[14]. Технология бессмеровского процесса (1856) и мартеновской печи (1864) впервые позволила получать сталь из чугуна. В XIX веке чугун широко используется для изготовления викторианских каминов[15], а также декоративных элементов (например, чугунная решетка памятника Александра II, 1890). Благодаря изготовлению малой скульптуры и ажурных изделий из чугуна широкую известность получили Кусинский и Каслинский заводы. Развитие способов формовки для литья сложных художественных отливок на заводе в посёлке Касли привело к созданию способа изготовления стержневых форм, который применяют и в настоящее время, особенно в станкостроении.[16] Также в XIX веке из чугуна изготавливались водопроводные и канализационные 12-дюймовые трубы Лондона[17]. Однако с появлением нарезного оружия (Пушка Армстронга, 1854) сталь вновь начинает вытеснять чугун.
Объёмы производства[править | править код]
В 1892 году Германия производила 4,9 миллиона тонн чугуна, против 6,8 в Англии, а в 1912 году уже 17,6 против 9,0[18]
Мировое производство чугуна в 2009 году составило 898,261 млн тонн, что на 3,2 % ниже, чем в 2008 году (927,123 млн т)[19]. Мировая топ-десятка стран-производителей чугуна выглядит следующим образом:
| 1 | Китай | 543,748 млн т |
| 2 | Япония | 66,943 млн т |
| 3 | Россия | 43,945 млн т |
| 4 | Индия | 29,646 млн т |
| 5 | Южная Корея | 27,278 млн т |
| 6 | Украина | 25,676 млн т |
| 7 | Бразилия | 25,267 млн т |
| 8 | Германия | 20,154 млн т |
| 9 | США | 18,936 млн т |
| 10 | Франция | 8,105 млн т |
За четыре месяца 2010 года мировой выпуск чугуна составил 346,15 млн тонн. Этот результат на 28,51 % больше по сравнению с аналогичным периодом 2009 года.[20]
Виды чугуна[править | править код]
Белый чугун[править | править код]
Микроструктура белого чугуна
Микроструктура белого чугуна при 100-кратном увеличении
В белых чугунах весь углерод находится в связанном виде (Fe3C). В зависимости от количества углерода делятся на:
- доэвтектические (2,14—4,3 % углерода);
- эвтектические (4,3 % углерода);
- заэвтектические (4,3—6,67 % углерода).
Цементит в изломе — светлый, поэтому такие чугуны назвали светлыми. Белые чугуны применяются в основном для изготовления ковких чугунов, которые получают путём отжига.
Серый чугун[править | править код]
Серый чугун — это сплав железа, кремния (от 1,2—3,5 %) и углерода, содержащий также постоянные примеси Mn, P, S. В структуре таких чугунов большая часть или весь углерод находится в виде графита пластинчатой формы. Излом такого чугуна из-за наличия графита имеет серый цвет.
Ковкий чугун[править | править код]
Ковкий чугун получают длительным отжигом белого чугуна, в результате которого образуется графит хлопьевидной формы. Металлическая основа такого чугуна — феррит и реже перлит. Ковкий чугун получил своё название из-за повышенной пластичности и вязкости (хотя обработке давлением не подвергается). Ковкий чугун обладает повышенной прочностью при растяжении и высоким сопротивлением удару. Из ковкого чугуна изготавливают детали сложной формы: картеры заднего моста автомобилей, тормозные колодки, тройники, угольники и т. д.
Маркируется ковкий чугун двумя буквами и двумя числами, например КЧ 37-12. Буквы КЧ означают ковкий чугун, первое число — предел прочности на разрыв (в десятках мегапаскалей), второе число — относительное удлинение (в процентах), характеризующее пластичность чугуна.
Высокопрочный чугун[править | править код]
Высокопрочный чугун имеет в своей структуре шаровидный графит, который образуется в процессе кристаллизации. Шаровидный графит ослабляет металлическую основу не так сильно, как пластинчатый, и не является концентратором напряжений.
Передельный чугун[править | править код]
Передельный чугун не используется как самостоятельный материал, а применяется для дальнейшей переработки в сталь.
Классификация[править | править код]
В зависимости от содержания углерода серый чугун называется доэвтектическим (2,14—4,3 % углерода), эвтектическим (4,3 %) или заэвтектическим (4,3—6,67 %). Состав сплава влияет на структуру материала.
В зависимости от состояния и содержания углерода в чугуне различают: белые и серые (по цвету излома, который обуславливается структурой углерода в чугуне в виде карбида железа или свободного графита), высокопрочные с шаровидным графитом, ковкие чугуны, чугуны с вермикулярным графитом. В белом чугуне углерод присутствует в виде цементита, в сером — в основном в виде графита.
В промышленности разновидности чугуна маркируются следующим образом:
- передельный чугун — П1, П2;
- передельный чугун для отливок (передельно-литейный) — ПЛ1, ПЛ2;
- передельный фосфористый чугун — ПФ1, ПФ2, ПФ3;
- передельный высококачественный чугун — ПВК1, ПВК2, ПВК3;
- чугун с пластинчатым графитом — СЧ (цифры после букв «СЧ», обозначают величину временного сопротивления разрыву в кгс/мм).
Антифрикционный чугун:
- антифрикционный серый — АЧС;
- антифрикционный высокопрочный — АЧВ;
- антифрикционный ковкий — АЧК;
- чугун с шаровидным графитом для отливок — ВЧ (цифры после букв «ВЧ» означают временное сопротивление разрыву в кгс/мм и относительное удлинение (%);
- чугун легированный со специальными свойствами — Ч.
Галерея[править | править код]
- Примеры изделий из чугуна
Чугунная лестница
Чугунный угольный утюг
- Чугунные мосты
Упавший мост через Тэй с севера (1880)
Чугун в искусстве[править | править код]
- В повести Булгарина Правдоподобные небылицы (1824) описаны чугунные желоба для ездовых машин и чугунные дома.
- Чугун — Научно-популярный фильм, производство Свердловская киностудия.
- Дети чугунных богов (1993) — кинофильм.
- Чугунный скороход (1996) — музыкальная группа.
См. также[править | править код]
- Чёрная металлургия
- Металлургический комбинат
- Сталь
Примечания[править | править код]
Литература[править | править код]
- Ю. М. Лахтин, В. П. Леонтьева. Материаловедение. — М.: Машиностроение, 1990. — 528 с.
- Вегман Е. Ф., Жеребин Б. Н., Похвиснев А. Н. и др. Металлургия чугуна. — Москва: Академкнига, 2004. — 774 с. — ISBN 5-94628-120-8.
- Physics and chemistry of solid state, № 4, 2014, vol. 15.
Углерод в чугуне может находиться в виде цементита, графита или в то же самое время в виде цементита и графита.
Возникновение постоянной фазы — графита в чугуне может происходить в итоге прямого выделения его из слабого ( твердого ) раствора или вследствие распада предварительно образовавшегося цементита ( при замедленном охлаждении расплавленного чугуна цементит может подвергнуться разложению РезС — > Fe + ЗС с образованием феррита и графита ).
Процесс формирования в чугуне ( стали ) графита называют графшпизацией.
Введение Электросталеплавильному способу принадлежит ведущая роль в производстве качественной и высоколегированной стали.
Благодаря ряду …
низменным содержанием серы, фосфора, кислорода и прочих нездоровых или нежелательных примесей и тонким содержанием легирующих элементов, придающих стали специальные свойства — хрома, никеля, …
С тем чтобы предотвратить переход из шлака в металл окислов железа и снизить угар кремния и марганца печь наклоняют так, чтобы металл в направление начальной трети длительности выпуска …
Ковкий чугун обладает повышенной крепостью при растяжении, невысокой пластичностью и рослым сопротивлением удару.
По механическим характеристикам он занимает промежуточное положение между сталью и серым чугуном.
В зависимости от способа производства ковкий чугун разделяется на ферритный ( черносердечный ) и перлитный ( белосердечный ).
Отливки из ферритного ковкого чугуна получают отжигом в нейтральной сфере ( коробки с отливками засыпают песочком ).
Этот чугун в изломе имеет темную бархатистую сердцевину со светлым ободком.
Ферритный ковкий чугун имеет следующий химический состав : 1, 75 — 2, 3% С ;
0, 85 — 1, 2% Si ;
0, 5 — 0, 6% Мn ;
не более 0, 2% Р и не более 0, 12% S.
С уменьшением содержания углерода механическая прочность чугуна возрастает, а литейные свойства ухудшаются.
Неинтегрированные заводы не имеют доменных цехов и не имеют, Следовательно, жидкого чугуна.
Следует отметить, что при нынешних средствах перевозки, данные предприятия можно иметь дальше от доменных цехов, что весьма удобно, т.к.
современные неинтеграционные заводы — это электросталеплавильные предприятия, которые потребляют большое число энергии, значит целесообразно их размещение вблизи крупных теплоэлектростанций.
В размещении предприятий подобного рода не новую роль играет потребитель, значит, при выборе местоположения электросталеплавильного предприятия, необходимо учитывать присутствие потребителя вблизи теплоэлектроцентралей.
Обычный химический состав серого чугуна СЧ 25 ГОСТ 1412 — 95 : C углерод 3, 3% ;
Si кремний 2, 1% ;
Mn марганец 0, 8% ;
S сера не более 0, 15% ;
P фосфор не более 0, 2% Механические свойства серых чугунов ГОСТ 1412 — 85 : лимит крепости ( временное сопротивление разрыву ) σ в СЧ 15 > 147 Мпа ;
СЧ 18 > 176 Мпа ;
СЧ 25 > 245 Мпа.
Поверхностная твердость СЧ 15 — 163 …
229 НВ ;
СЧ 18 — 170 …
229 НВ ;
СЧ 25 — 180 …
250 НВ ;
Таблицу соответствия HB — HRC. осматривать
Чугу́н — сплав железа с углеродом с содержанием более 2, 14 % ( точка предельной растворимости углерода в аустените на диаграмме состояний ).
Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита и графита.
В зависимости от формы графита и количества цементита, выделяют : бледный, бесцветный, ковкий и высокопрочные чугуны.
Чугуны держат постоянные примеси ( Si, Mn, S, P ), а в отдельных событиях также легирующие элементы ( Cr, Ni, V, Al и др. ).
Обыкновенно, чугун хрупок.
Чугуны с графитом в зависимости от фигуры нового разделяют на бесцветные, ковкие и высокопр очные.
Серыми называют чугуны, в структуре которых графит имеет пластинчатую форму.
В ковких чу — гунах графит имеет хлопьевидную форму, в высокопрочных чугунах — шаровую.
К числу высокопрочных относят также чугуны с графитом вермикулярной ( греч.
— червячок ) фигуры, которые по характеристикам ( ГОСТ 28394 — 89 ) занимают промежуточное положение между чугунами с шаровым и пластинчатым графитом.
Находяшиеся в чугунах примеси углерода, марганца, кремния, фосфора, серы и т. п. сильно влияют на свойства отливок, поэтому литейщик для составления шихты должен знать как химический состав находящихся чугунов, так и влияние его на качество изделия. Самое большое влияние оказывает углерод, находящийся в чугуне в виде графита, карбида или углерода закала (см. Чугун). Каждая из этих трех форм вызывает различные свойства, изменяя структуру, цвет излома и другие качества чугуна. Отношение содержания этих 3-х видоизменений углерода зависит как от общего содержания углерода и совместного присутствия других примесей, так и от условий остывания чугуна при отливке. Медленное остывание жидкого или накаленного добела чугуна вызывает выделение графита и карбида, при быстром же охлаждении углерод преимущественно находится в виде углерода закала. На этом явлении основано получение серого или отбеленного чугуна, отжиг и закалка чугунных изделий. Графит, отлагаясь в виде постороннего рыхлого вещества, разрыхляет чугун, придает ему мягкость и способность легко обрабатываться резцом, но при содержании выше 2,5% графита понижается прочность и вязкость чугуна, и он делается непригодным к отливкам. Иногда чугун и в расплавленном состоянии выделяет графит, который вместе с частичками железа всплывает на поверхность, образуя так наз. спель (Gaarschaum). Такое явление сильно затрудняет отливку, потому что нарушает однородность и чистоту поверхности. Присутствие углерода закала сильно повышает твердость и прочность чугуна, но избыток его (выше 0,7%) влечет за собою понижение прочности и увеличение жесткости и хрупкости. В зависимости от количества карбида в чугуне уменьшается количество углерода закала, поэтому и влияние этого последнего уменьшается; чугун делается мягче и вязче. Кремний вытесняет углерод из соединения с железом и способствует выделению графита. При содержании углерода около 5% самое небольшое количество кремния (около 0,5%) уже в состоянии вызвать выделение графита. При содержании от 3,5-5% кремния и от 3,5-3% углерода почти все его количество превращается в графит. Чем больше кремния в чугуне, тем он меньше насыщается углеродом. Непосредственное действие кремния на чугун подобно действию углерода закала, только оно около 5 раз слабее. Для отливок, которые должны обладать прочностью, Литейный чугун чугуны, бедные углеродом, могут заключать больше кремния и наоборот. Это отношение, по Ледебуру, выражается приблизительно формулой: C+(S /1,5)=4,2 до 4,4, где С — полное содержание углерода, а S — кремния при условия, что S>1 и <3. Более высокое содержание кремния в Литейный чугун чугуне вредно влияет на прочность. Влияние марганца на соединение углерода с железом противоположно кремнию: оно препятствует образованию графита, следовательно, получению серого чугуна, и способствует большому поглощению углерода железом. Небольшие количества его понижают температуру плавления и увеличивают жидкоплавкость чугуна, большие наоборот. Вообще марганец, возвышая в значительной степени твердость и хрупкость отливок, считается ненужной примесью, однако в некоторых случаях желательно его присутствие в Литейный чугун чугуне, потому что он защищает железо и другие примеси при плавлении от окисления. Фосфор сильно влияет на качество чугуна: он увеличивает твердость, заметно уменьшает упругость и вязкость. Обнаруживается это дурное влияние фосфора в изделиях, подвергаемых изгибу, ударам или сотрясениям; такие изделия ломки и хрупки. Степень этого влияния растет с содержанием углерода закала и марганца и уменьшается с содержанием кремния, поэтому кремнистые чугуны менее чувствительны к вредному влиянию фосфора, чем чугуны марганцовистые. Для отливок, от которых требуется высокая прочность, хорошим считается чугун, не заключающий более 0,3% фосфора. Содержание фосфора в значительной степени увеличивает жидкоплавкость чугуна, вследствие чего он точнее выполняет форму изделия и по застывании получает более гладкую поверхность. Поэтому фосфористым чугуном часто пользуются, особенно при отливках изделий, служащих для украшений. Сера уменьшает степень насыщенности углеродом и препятствует выделению графита, т. е. способствует образованию белого чугуна, бедного углеродом. В присутствии серы чугун даже при высоких температурах остается густым и плохо заполняет форму. Поэтому для тонких отливок сернистые чугуны вовсе не употребляются. Содержание серы менее 0,1% увеличивает прочность и упругость. При отливках примеси чугунов часто выделяются и всплывают на поверхность беловатые, очень твердые вещества в виде шариков, которые носят название алмазного чугуна (Diamanteisen). Медь действует наподобие серы, но гораздо слабее.
В зависимости от содержания вышеупомянутых элементов и от влияния их на свойства Литейный чугун чугунов они разделяются по виду излома на серые и белые. В Литейный чугун деле употребляют главным образом только серый чугун, белые же идут в передел или иногда служат прибавкой к сильно кремнистым чугунам.