Какие свойствами обладает чугун
Родом из Азии. В слове «чугун» лингвисты усматривают тюркские корни. Так, к примеру, в азербайджанском языке «cugun» — обозначение для железа. Однако, литье чугуна – это работа не только с феррумом, но и углеродом.
Последнего в сплаве от 2-х до 4,5%. Состав создали в Китае в 6-ом веке. Европа переняла секрет производства в 14-ом. В России состав чугуна довели до совершенства лишь к 17-му.
Лучший товар поставлял литейный завод братьев Демидовых. Он расположился на Урале. За века чугун не утратил актуальности. Широкий спектр применения сплава обеспечивают его характеристики. С них и начнем.
Химические и физические свойства чугуна
Кроме железа и углерода материал чугун содержит и другие примеси. Так, плавку улучшают ванадий молибден. Для прочности добавляют кремний, марганец, серу, фосфор. Примесь каждого элемента меньше 1%. Тем не менее, без нее, чугун еще более хрупок.
Солидная примесь углерода лишает сплав пластичности, вязкости. Вот сталь, в которой 6-го элемента таблицы Менделеева менее 2%, ими отличается. Зачем же тогда добавляют «лишний» углерод в чугуновые трубы?
Цель – добиться исключительной твердости. По шкале Мооса она равна 7,5 баллов. Это больше, чем у кварца. До алмаза остается всего 2,5 балла.
Кроме твердости, неизменным свойством чугуна является температура его плавления – 1200 градусов Цельсия. В остальном, характеристики сплава зависят от его типа.
Основные виды чугуна: белый, серый, высокопрочный, ковкий и половинчатый. В первом сплаве весь углерод связан с железом. Fe3C называют цементитом. Он делает железо белым на изломе.
Отсюда и название чугуна. Разновидность материала особенно тверда, но и особенно хрупка, плохо поддается резке. В основном, из белого чугуна отливают шары. Их используют для перемалывания промышленного сырья.
Серый чугун содержит углерод не только в виде цементита, но и графита. Присутствие одновременно обеих форм именуют половинчатым чугуном. О роли в нем цементита сказано.
Графит же придает сплаву характерный цвет и добавляет пластичности. Серый чугун многокомпонентный. Кроме добавки углерода солидна примесь кремния – от 1,2 до 3,6%. В состав входят, так же, сера, фосфор и марганец.
Первая – вредная примесь, от которой не удается избавиться в процессе производства. А вот фосфор и марганец способствуют отбеливанию в поверхностных слоях. Так удается упрочнить оболочку деталей, улучшив при этом их пластичность.
На свойства чугуна влияет не только состав, но и скорость охлаждения. Она меняет структуру металла. Белый сплав охлаждают быстрее. Серый чугун, напротив, формируют медленно.
Высокопрочный чугун содержит углерод в виде графита, причем шарообразного. Соотношение его поверхности к объему минимально. Это делает материал однородным и прочным.
По свойствам сплав близок к литой углеродистой стали. При этом, литейные свойства высокопрочного чугуна лучше, он легко поддается резке и сохраняет износостойкость.
Купить чугун ковкий стремятся вовсе не для того, чтобы его ковать. Этой процедуре не подается ни один из видов сплава. Название указывает лишь на то, что состав поддается обработке давлением, то есть материал наиболее пластичен.
Работают же с ним, как правило, методом литья. Углерод в ковкой смеси графитизирован. Поэтому, марганца в составе сплава минимум. Элемент препятствует графитизации. Немного и кремния. На нижней планке в 2%, так же, держится углерод.
Марки чугуна список в разы шире перечня его видов. Только у ковкого сплава 8 типов. У них разный состав, или же, процентное соотношение компонентов. Так, марка КЧ 30-6 содержит от 2,7 до 3,1% углерода, а в КЧ 37-12 его не больше 2,5%.
Применение чугуна
Твердость в сочетании с хорошими литейными свойствами делают сплав идеальным для создания прочных деталей сложной формы, к примеру, художественных оградок.
Такие можно увидеть на набережных Красноярска, Иркутска, Санкт-Петербурга. В северной столицы ковка чугуна применена и при создании ворот Зимнего дворца.
Лом чугуна переплавляют, так же, на станины промышленных станков. Из прочного материала делают корпусные детали, посуду. Сковорода из чугуна выбирается при готовке блюд, требующих длительного томления.
Посуда долго нагревается, зато, отлично аккумулирует тепло. Жар распределяется равномерно. К тому же, чугун наделен антипригарными свойствами.
Они, как говориться, от природы. Особое покрытие здесь не причем. Поэтому, старинные сковороды не выходят из обихода, не смотря на модные модели с тефлоном.
Не исчезают с рынка и ванны из чугуна. Они тяжелы, но долговечны. К тому же, тяжесть – не только минус. За счет массы устраняются незаметные для человека вибрации, разрушающие линию стыка ванны со стенами. Микротрещины чреваты появлением в помещении плесени и грибка.
Среди сантехнического оборудования чугунными бывают и раковины, трубы, фитинги. Последние детали используют для соединения труб. Такая продукция почти изжила себя из-за сложности не только монтажа, но и демонтажа.
Требуется сварка чугуна. Это трудоемкая процедура, требующая сноровки. Соединить же современные трубы из пластика можно специальным паяльником, потратив в разы меньше времени и сил.
Производство чугуна направлено и на отрасль автомобилестроения. Прочный и износостойкий сплав идет на блоки цилиндров от двигателей внутреннего сгорания.
В дизельных же моторах из смеси железа с углеродом делают коленчатые валы. Как правило, чугун используют в бюджетных авто или специализированных, промышленных моделях.
Детали надежны, дешевы, но тяжелы. Сейчас, как известно, производители стремятся уменьшить массу машин. Это и сокращает долю чугунных элементов в современных автомобилях.
Из сплава феррума и углерода производили всем известные буржуйки. Есть и современные печи из чугуна. И покупают не только из-за ценника. Печи не деформируются при нагреве, что случается с моделями из других сплавов.
На высоте и теплопроводность чугунных изделий. Это делает их удобными для редкоотапливаемых площадей, или же помещений, требующих быстрого нагрева.
Добыча чугуна
Какой бы чугун ни был, это сплав. Добыть его невозможно. Смесь производят, а добывают компоненты для нее. В случае с чугуном, основной элемент – железо. Берут руды с ним и плавят в доменных печах. Топливо – каменный уголь в виде кокса. Иногда, берут мазут или природный газ.
Почему переплавляют руду, а не чистый металл? Потому что феррум не бывает самородным, всегда связан с другими элементами. Среди них и та самая пресловутая сера, от которой не удается полностью избавиться в ходе переплавки. Но, в железных рудах есть и полезные примеси – те же хром и марганец.
Руда требует подготовки – дробления и грохочения, то есть разделения по размеру частиц. Лишь потом сырье загружается в печь вместе с флюсами. В ходе окислительно-восстановительной реакции получается чугун.
Железо восстанавливается и оксидов. При этом, сами восстановители окисляются. Процесс протекает лучше и быстрее в кислородной среде. Поэтому, газ специально подается в домену печь до конца реакции.
Цена чугуна
На чугун цена зависит от вида изделия, производителя. Чистый сплав не продается, лишь продукция из него. Так, сковорода обходится, в среднем, в 4000 рублей. Если же хочется казан для плова объемом в 225 литров, придется выложить 30-40 000.
10-литровый образец стоит около 7000 рублей. За кило дроби в 0,8 миллиметров просят около 2300 рублей. Простейшая печь-буржуйка обойдется покупателю минимум в 4500 рублей. Отопительные котлы из прочного сплава опустошат карман не меньше, чем на 30 000.
Основная же масса моделей стоит в районе 100-150 000 рублей. За ванны просят от 6000. За чугунный радиатор придется выложить от 650-ти рублей. Дешевле всего лом. Килограмм чугуна оценивают всего в 7-10 рублей.
Чугун является соединением железа с углеродом. Среди главных свойств можно выделить массу, форму, объем и размещение графитных примесей. В состоянии термодинамического равновесия строение сплавов железа с углеродами можно описать диаграммой. Во время модифицирования состава изменяется:
• температура эвтектики (оС) Т = 1135 + 5*Si — 35*P — 2*Mn + 4*Cr;
• насыщенность эвтектики углеродом (%) С = 4,3 – 0,3*(Si+P) – 0,04*Ni – 0,07*Cr;
• температура эвтектоидного превращения (оС) T = 723 + 20*Si + 8*Cr — 30*Ni — 10*Cu — 20*Mn;
• насыщенность эвтектоида углеродом (%) C = 0,8 – 0,15*Si – 0,8*Ni – 0,05*(Cr+Mn).
Размещение критических точек зависит от степени нагрева – в случае охлаждения они перемещаются немного вниз. Установлены максимально точные простые формулы для подавляющего числа марок чугуна, не содержащего легирующих компонентов:
• насыщенность эвтектики углеродом C = 4,3 – 0,3*(Si+P);
• насыщенность эвтектоида углеродом C = 0,8 – 0,15*Si.
Воздействие соединений на строение можно увидеть в таблице 1. Коэффициенты, определяющие условное графитизирующее воздействие, можно брать во внимание лишь в случае наличия углерода (C) (около 3 %) и кремния (Si) (около 2 %).
Таблица 1. Ориентировочное влияние элементов на структуру чугуна
Элементы | Содержание в % | Влияние | Относительное графитизирующее действие | ||
На основную металлическую массу | На графит | При затвердевании | В твердом состоянии | ||
Кремний | до 3,0 | Уменьшение содержания перлита | Увеличение количества и укрупнение | +1,0 | +1,0 |
Углерод | более 1,7 | Уменьшение содержания перлита | Увеличение количества и укрупнение | +1,0 | от +0,2 до +0,5 |
Марганец | более 0,8 | Размельчение перлита | Слабое размельчение | -0,2 | от -0,2 до +0,5 |
Фосфор | до 1,0 | Образование сернистого марганца | То же, но уменьшение количества | -0,2 | от -0,2 до +0,5 |
Сера | до 0,2 | Образование сульфидов | Уменьшение количества | -2,0 | от -2 до -4 |
Никель | до 1,5 | Размельчение перлита | Увеличение количества и слабое размельчение | +0,4 | от +4 до -0,2 |
Хром | до 1,0 | Размельчение перлита | Уменьшение количества и слабое размельчение | -1,2 | от -1,2 до -3,0 |
Медь | до 1,0 | Не влияет | Не установлено | +0,3 | от +0,3 до -0,2 |
Молибден | до 0,5 | Размельчение перлита. Образование игольчатой структуры | Уменьшение количества. Значительное размельчение | -0,5 | от -0,5 до -1,5 |
Ванадий | до 0,5 | Размельчение перлита | Уменьшение количества. Значительное размельчение | -2,0 | от -2 до -3 |
Алюминий | до 0,5 | Уменьшение содержания перлита | Увеличение количества и укрупнение | +3,0 | +10 |
Церий и магний | — | — | Сфероидинизация | — | — |
Физико-механические свойства
Самые важные показатели физико-механических свойств микроструктуры чугуна можно найти в табл. 2, физических свойств – в табл. 3. Указанный в 3-й табл. удельный вес способен сильно отклоняться в связи с колебаниями объема соединенного углерода и изменениями количества пор. Удельная масса чугуна в момент его плавления равняется 7 ± 0,1 г/см3. При добавлении различных простых примесей она снижается. На указанный в таблице 3 коэффициент теплового расширения влияет строение чугуна.
Сильный невозвратимый прирост объема происходит в случае изменения температуры, при которой в физической системе происходит равновесный фазовый переход. Показатель может достичь 30 %, но зачастую он не превышает 3 % при разогреве до 500 оС. Приросту объема способствуют компоненты, образующие графиты, а мешают – компоненты, образующие карбиды, а также покрытие чугуна методом эмалирования, металлизирования и гальванизации.
Таблица 2. Физические и механические свойства структурных, составляющих нелегированного чугуна
Структурная составляющая | Удельный вес Г/см3 | Коэффициент теплового линейного расширения a*10 — в 1/оС при температурах 20 -100 оС | Теплоемкость в кал/Г*oС при температуре в оС | Теплопроводность в кал/см*сек оС | Электросопротивление в мкОм 9 см | Предел прочности при растяжении σ в в кГ/мм2 | Удлинение σ в % | Твердость НВ | ||||
100 | 200 | 400 | 600 | 900 | ||||||||
Аустенит | — | 17-24 | 0,12 | — | — | — | — | 0,1 | — | — | 50±10 | — |
Феррит | 7,9 | 12-12,5 | 0,11 | 0,12 | 0,13 | 0,13 | 0,17 | 10 | 40±10 | 40±10 | 40±10 | 85±35 |
Перлит | 7,8 | 10-11 | — | — | — | — | — | 0,12 | 20 | 100±30 | — | — |
Цементит | 7,7 | 6-8,5 | 0,15 | 0,15 | 0,15 | 0,16 | 0,19 | 0,017 | 140 | 4±1 | 600±100 | |
Графит | 2,2-2,3 | 7,5-8 | 0,2 | 0,22 | 0,27 | 0,31 | 0,36 | 0,036 | 150 | |||
Тепловые свойства
Показатель теплоемкости чугуна конкретного состава можно установить по закону смешения, используя информацию, приведенную в таблице 2. Она может равняться 0,00018 ккал/(г•оС) при преодолении температурой порога фазового перехода, вплоть до температуры плавления. После преодоления температуры плавления – 0,00023 ± 0,00003 ккал/(г·оС). Тепловой эффект при застывании равняется 0,055 ± 0,005 ккал/г, а в случае эвтектоидного распада аустенита обуславливается объемом включенного перлита, и может достигать 0,0215 ± 0,0015 ккал/г при эвтектоидной концентрации 0,8 % Ссв.
Теплоемкость единицы объема этого вещества может использоваться для укрупненных вычислений: для чугуна в твердом состоянии – приблизительно 0,001 ккал/см3·оС, а в жидком состоянии – 0,0015 ккал/см3·оС.
Теплопроводность нельзя установить по закону смешения; указанные в табл. 2 ее показатели для элементов, при росте их размеров в дисперсных системах, понижаются. Типичные показатели теплопроводности указаны в табл. 3. Роль входящих в чугун компонентов в изменении теплопроводности можно увидеть на отклонениях уровня графитизации. Показатели теплопроводности железа снижаются при повышении объема входящих в него различных добавок.
Чугун в расплавленном состоянии имеет теплопроводность около 0,04 кал/см·с·оС.
С использованием укрупненных вычислений, коэффициент теплопроводности чугуна в твердом состоянии приравнивается к его теплопроводности, а в расплавленном состоянии – к 0,3 мм2/с.
Таблица 3. Типичные физические свойства чугуна
Тип чугуна | Белый | Серый | Ковкий | Примечание, с повышением температуры: «+» — повышается; «-» — понижается |
Удельный вес Г/см3 | 7,5±0,2 | 7,1±0,2 | 7,3±0,1 | — |
Коэффициент теплового линейного расширения a·10-в1/оС, при температурах 20-100 оС | 8±2 | 10±2 | 11±1 | + |
Действительная усадка в % | 1,8±0,2 | 1,1±0,2 | — | + |
Теплопроводность в кал/см·сек оС | 0,08±0,2 | 0,10±0,02 | 0,13±0,02 | — |
Динамическая вязкость при температуре ликвидус дин·сек/см2 | 0,08 | 0,04 | — | — |
Поверхностное натяжение в дин/см2 | 900±100 | 900±100 | — | + |
Электросопротивление в Мк · ом · см | 70±20 | 80±40 | 50±20 | + |
Теплоемкость в кал/Г · оС | 0,13±0,02 | 0,12±0,02 | 0,12±0,02 | + |
Коэрцитивная сила в э | 13±2 | 10±1 | 1,5±0,5 | — |
Остаточный магнетизм в гс | 5000±1000 | 5000±1000 | 5000±1000 | — |
Гидродинамические свойства
Показатели абсолютной вязкости можно найти в табл. 4. Вязкости свойственно снижаться при росте доли марганца, а также в случае понижения части серы и добавок неметаллического происхождения, обусловленного температурными показателями.
Снижение показателей вязкости и соотношение абсолютных температур опыта и момента затвердевания находятся в прямой зависимости. Во время перехода температуры начала затвердевания, показатели вязкости стремительно возрастают.
Данные о поверхностном натяжении чугуна для проведения укрупненных вычислений можно взять из таблицы 3. Оно возрастает со снижением доли углерода и стремительно меняется при добавлении в состав компонентов неметаллического происхождения.
Для определения электрических характеристик можно воспользоваться законом Курнакова. Приблизительные величины примесей можно найти в табл. 2, а, конкретно чугуна – в табл. 3. Воздействие входящих компонентов на электрическое сопротивление твердого вещества условно можно разместить в такой последовательности, по убыванию: кремний (Si), марганец (Mn), хром (Cr), никель (Ni), кобальт (Co).
Таблица 4. Коэффициенты вязкости чугуна
Температура в оС | Коэффициент вязкости в (дин · сек/см2) чугуна с содержанием углерода в % | ||||||
1,0 | 1,5 | 2,0 | 2,5 | 3,0 | 3,5 | 4,0 | |
Чугун застывает белым | |||||||
1250 | — | — | — | — | — | 0,029 | 0,021 |
1300 | — | — | — | — | 0,028 | 0,024 | 0,018 |
1350 | — | — | 0,029 | 0,026 | 0,024 | 0,02 | 0,016 |
1400 | 0,026 | 0,025 | 0,024 | 0,023 | 0,02 | 0,02 | 0,016 |
Чугун застывает серым | |||||||
1280 | — | 0,043 | 0,041 | 0,04 | 0,039 | 0,037 | 0,035 |
1300 | 0,043 | 0,042 | 0,041 | 0,04 | 0,038 | 0,037 | 0,035 |
1350 | 0,04 | 0,04 | 0,039 | 0,038 | 0,037 | 0,036 | 0,035 |
1400 | 0,038 | 0,038 | 0,037 | 0,036 | 0,035 | 0,034 | 0,035 |
Механические свойства
Статистические характеристики. Предел прочности (порог механического напряжения) чугуна можно вычислить качественным путем, исходя из его строения согласно показателям, указанным в таблице 2. Прочность компонентов, входящих в структуру чугуна, растет с повышением их взвешенных размеров в дисперсных системах. На порог механического напряжения наибольшее влияние оказывает строение, численность, объем и расположение графитных составляющих; структура общей массы металла не так важна.
Максимальное уменьшение прочности отмечается при размещении цепочкообразных компонентов графита, делающих структуру металла не такой непрерывной. Максимальные показатели прочности металлу придают сфероидальная структура графита. При увеличении температуры испытательного процесса, порог механического напряжения по большому счету не меняется вплоть до 400 оC (на промежутке от 100 до 200 оC прочность незначительно уменьшается, в пределах 10 – 15 %). После преодоления показателя в 400 оC фиксируется постоянная потеря показателей порога механического напряжения.
Характеристики пластичности обусловлены строением общей массы металла (согласно показателям, приведенным в таблице 2), но еще значительнее – формой графитных примесей. Если форма сфероидальная, то удлинение может доходить до 30 %. В сером чугуне такое удлинение практически никогда не достигает и десятой части процента. Удлинения в обожженном сером чугуне (с ферритным строением) могут составлять приблизительно 1,5 %.
Упругость обуславливается, по большому счету, графитной структурой. Она не меняется в процессе теплового воздействия на чугун, если не вносились изменения в форму графитных примесей. Тесты на изгиб показывают долю упругих деформаций равную 50 – 80 % от всей деформации.
Ползучесть чугуна не стоит путать со случаем роста (необратимого увеличения его объёма). Чугун, в составе которого отсутствуют легирующие компоненты, при нагревании, превышающем 550 оC, характеризуется остаточными деформациями, зависящими от его роста, преобладающими над деформациями, приемлемыми при определении ползучести. Если ее скорость равняется 0,00001 % в час, то за 1 тыс. часов при нагрузке в пределах 3 кг/мм2 серый чугун без легирующих компонентов проявляет устойчивость при температурах в пределах 400 оC, а чугун, содержащий легирующие компоненты – вплоть до 500 оC. Повышения сопротивления ползучести можно добиться у аустенитного чугуна, а также у чугуна с добавкой молибдена или с повышенным наличием никеля и хрома.
Если в чугуне имеются добавки в виде графита, то его модуль упругости будет лишь условным. Этот показатель не обусловлен строением основного объема металла, и характеризуется долей графитных добавок и их строением: он снижается при повышении доли графитных добавок и при уменьшении их схожести с глобулярной структурой.
Ударная вязкость является не совсем точной характеристикой динамических качеств. Она растет с повышением включений феррита, в случае понижения включений графита, а также, когда структура графитной составляющей максимально схожа с шаровидной. При неравномерном периоде нагружений, предел усталости достигает максимума вследствие повышения напряжений, возникающих в направлении приложения нагрузки. Предел усталости повышается при росте порога механического напряжения и повторяемости нагрузок.
Технологические свойства
Жидкотекучесть определяется металлическими свойствами и структурой. Зачастую она зависит от длины заполняемой отливки, и возрастает при понижении вязкостных показателей, повышении перегрева (вместе с тем, больше всего на жидкотекучесть воздействует перегрев сверх температуры начала застывания), понижении промежутка застывания и обуславливается скрытой теплотой плавления и теплоемкости, выраженных объемом.
Химические свойства
Степень противодействия окислению обусловлена строением чугуна и окружающей средой (химический состав, температура и ее протекание). Входящие в состав чугуна элементы имеют электродный потенциал. По уменьшению этой величины их можно расположить в такой последовательности: графит (карбидное железо), двойная или тройная фосфидная эвтектика – оксифер.
Напряжение между графитом и оксифером (ферритом) равняется 0,56 вольтам. Степень противодействия коррозии понижается при соответствующем повышении уровня дисперсности входящих в состав компонентов. Тем не менее, слишком большое понижение уровня дисперсности карбидного железа понижает степень противодействия окислению. Легирующие компоненты воздействуют на способность чугуна противодействовать окислению вместе с их влиянием на структурный состав. Чрезмерное противодействие окислительным процессам отмечается у чугунных отливок со сберегшейся коркой после литья.