Видове чугун, класификация, състав, свойства, маркировка и приложение

2024 Автор: Howard Calhoun | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-17 10:19

Днес почти няма област от човешкия живот, където да не се използва чугун. Този материал е познат на човечеството от доста дълго време и се е доказал отлично от практическа гледна точка. Чугунът е в основата на голямо разнообразие от части, възли и механизми, а в някои случаи дори самодостатъчен продукт, способен да изпълнява възложените му функции. Ето защо в тази статия ще обърнем голямо внимание на това желязосъдържащо съединение. Ще разберем също какви са видовете чугун, техните физични и химични характеристики.

Определение

Чугунът е наистина уникална сплав от желязо и въглерод, в която Fe е повече от 90%, а C е не повече от 6,67%, но не по-малко от 2,14%. Също така въглеродът може да се намери в чугуна под формата на цементит или графит.

Въглеродът придава на сплавта достатъчно висока твърдост, но в същото време намалява ковкост и пластичност. В резултат на това чугунът е крехък материал. Също така към определени класове чугун се добавят специални добавки, които могат да придадат на съединението определени свойства. Ролята на легиращите елементи може да бъде: никел, хром, ванадий, алуминий. Индексът на плътност на чугуна е 7200 килограма на кубичен метър. От което може да се заключи, четеглото на чугуна е индикатор, който не може да се нарече малък.

Историческа справка

Топенето на желязо отдавна е известно на хората. Първото споменаване на сплавта датира от шести век пр.н.е.

В древни времена Китай произвеждал чугун с доста ниска точка на топене. Чугунът започва да се произвежда в Европа около 14-ти век, когато за първи път се използват доменни пещи. По това време такава отливка от желязо се използва за производството на оръжия, снаряди, строителни части.

В Русия производството на чугун активно започва през 16-ти век и след това бързо се разширява. По времето на Петър I Руската империя успява да заобиколи всички страни по света по отношение на производството на желязо, но сто години по-късно отново започва да губи позиции на пазара на черна металургия.

Чугунът е бил използван за създаване на различни произведения на изкуството още от Средновековието. По-специално, през 10-ти век китайските майстори изляха наистина уникална фигура на лъв, чието тегло надвишава 100 тона. Започвайки от 15-ти век в Германия, а след това и в други страни, леенето на чугун става широко разпространено. От него са направени огради, решетки, паркови скулптури, градински мебели, надгробни плочи.

През последните години на 18-ти век леенето на желязо е най-замесено в архитектурата на Русия. А 19-ти век обикновено се нарича "епохата на чугун", тъй като сплавта се използва много активно в архитектурата.

Функции

Има различни видовечугун обаче, средната точка на топене на това метално съединение е около 1200 градуса по Целзий. Тази цифра е с 250-300 градуса по-малка от необходимата за производството на стомана. Тази разлика е свързана с доста високо съдържание на въглерод, което води до по-малко тесни връзки с атомите на желязото на молекулярно ниво.

В момента на топене и последваща кристализация въглеродът, съдържащ се в чугуна, няма време да проникне напълно в молекулярната решетка на желязото и следователно чугунът в крайна сметка се оказва доста крехък. В тази връзка не се използва там, където има постоянни динамични натоварвания. Но в същото време е отличен за тези части, които имат повишени изисквания за здравина.

Производствена технология

Абсолютно всички видове чугун се произвеждат в доменна пещ. Всъщност самият процес на топене е доста трудоемка дейност, която изисква сериозни материални инвестиции. За един тон чугун са необходими около 550 килограма кокс и почти един тон вода. Обемът на руда, заредена в пещта, ще зависи от съдържанието на желязо. Най-често се използва руда, в която желязото е най-малко 70%. По-ниска концентрация на елемента е нежелателна, тъй като би било неикономично да се използва.

Продукция на първия етап

Топенето на желязо е както следва. На първо място в пещта се изсипва руда, както и коксуващи се въглища, които служат за херметизиране и поддържане на необходимата температура вътре в шахтата на пещта. Освен това тези продукти по време на процеса на горене участват активно в протичащите химични реакции вроля на редуциращите желязо агенти.

В същото време в пещта се зарежда флюс, който служи като катализатор. Той помага на скалите да се топят по-бързо, което насърчава отделянето на желязо.

Важно е да се отбележи, че рудата се подлага на специална предварителна обработка преди да бъде заредена в пещта. Раздробява се в трошачна инсталация (малките частици се топят по-бързо). След това се измива, за да се отстранят безметалните частици. След това суровината се изпича, поради което сярата и други чужди елементи се отстраняват от нея.

Втори етап на производство

Природният газ се подава към пещта заредена и готова за работа чрез специални горелки. Коксът загрява суровината. В този случай се отделя въглерод, който се свързва с кислорода и образува оксид. Този оксид впоследствие участва в извличането на желязо от рудата. Имайте предвид, че с увеличаване на количеството газ в пещта скоростта на химическата реакция намалява и когато се достигне определено съотношение, тя спира напълно.

Излишният въглерод прониква в стопилката и се съединява с желязото, като в крайна сметка образува чугун. Всички онези елементи, които не са се стопили, са на повърхността и в крайна сметка се отстраняват. Този отпадък се нарича шлака. Може да се използва и за производство на други материали. Видовете чугун, получени по този начин, се наричат леярски и чугун.

Разграничение

Съвременната класификация на чугуните предвижда разделянето на тези сплави в следните типове:

• Бяло.
• Половин.
• Сиво с люспест графит.
• Високоякостен нодуларен графит.
• пластичен.

Нека разгледаме всеки един поотделно.

бял чугун

Този чугун е този, в който почти целият въглерод е химически свързан. В машиностроенето тази сплав не се използва много често, тъй като е твърда, но много крехка. Освен това не може да се обработва с различни режещи инструменти и следователно се използва за леене на части, които не изискват никаква обработка. Въпреки че този вид чугун позволява шлайфане с абразивни колела. Белият чугун може да бъде както обикновен, така и легиран. В същото време заваряването създава трудности, тъй като е придружено от образуване на различни пукнатини по време на охлаждане или нагряване, а също и поради хетерогенността на структурата, която се образува в точката на заваряване..

Белите устойчиви на износване чугуни се получават чрез първична кристализация на течна сплав по време на бързо охлаждане. Те се използват най-често за приложения със сухо триене (например спирачни накладки) или за производство на части с повишена устойчивост на износване и топлина (валцовъчни ролки).

Между другото, белият чугун получи името си поради факта, че външният вид на счупването му е светло-кристална, лъчиста повърхност. Структурата на този чугун е комбинация от ледебурит, перлит и вторичен цементит. Ако този чугун е легиран, тогава перлитът се трансформира втроостит, аустенит или мартензит.

Половин чугун

Класификацията на чугуните би била непълна без споменаване на това разнообразие от метална сплав.

Този чугун се характеризира с комбинация от карбидна евтектика и графит в структурата си. Като цяло, пълноценната структура има следната форма: графит, перлит, ледебурит. Ако чугунът бъде подложен на топлинна обработка или легиране, това ще доведе до образуването на аустенит, мартензит или игловиден троостит.

Този тип чугун е доста крехък, така че използването му е много ограничено. Самата сплав получи името си, защото нейното счупване е комбинация от тъмни и светли области на кристалната структура.

Най-често срещаният инженерен материал

Сив чугун GOST 1412-85 съдържа около 3,5% въглерод, от 1,9 до 2,5% силиций, до 0,8% манган, до 0,3% фосфор и по-малко от 0,12% сяра.

Графитът в такъв чугун има ламелна форма. Не изисква специална модификация.

Графитните плочи имат силен отслабващ ефект и поради това сивият чугун се характеризира с много ниска якост на удар и почти пълна липса на удължение (по-малко от 0,5%).

Сивият чугун е добре обработен. Структурата на сплавта може да бъде както следва:

• Ферит-графит.
• Ферит-перлит-графит.
• Перлит-графит.

Сивият чугун работи много по-добре при компресия, отколкото при опън. Той същозаварява доста добре, но това изисква предварително загряване и като пълнител трябва да се използват специални чугунени пръти с високо съдържание на силиций и въглерод. Без предварително загряване заваряването ще бъде трудно, защото чугунът ще избели в зоната на заваряване.

Сив чугун се използва за производство на части, които работят без ударно натоварване (ролци, капаци, легла).

Обозначаването на този чугун се извършва съгласно следния принцип: SCH 25-52. Две букви показват, че това е сив чугун, числото 25 е индикатор за якостта на опън (в MPa или kgf / mm 2), числото 52 е якостта на опън в момента на огъване.

Диктилно желязо

Нодуларният чугун е фундаментално различен от другите си "братя" по това, че съдържа нодуларен графит. Получава се чрез въвеждане на специални модификатори (Mg, Ce) в течната сплав. Броят на графитните включвания и техните линейни размери могат да бъдат различни.

Какво е хубавото на сфероидалния графит? Фактът, че такава форма отслабва минимално металната основа, която от своя страна може да бъде перлитна, феритна или перлитно-феритна.

Поради използването на термична обработка или легиране, основата от чугун може да бъде игло-трооститна, мартензитна, аустенитна.

Класовете на ковкото желязо са различни, но в общи линии обозначението му е както следва: VCh 40-5. Лесно е да се досетите, че HF е чугун с висока якост, числото 40 е индикаторякост на опън (kgf/mm2), числото 5 е спрямо удължението, изразено като процент.

Диктилно желязо

Структурата на ковкото желязо е наличието на графит в него в люспеста или сферична форма. В същото време люспестият графит може да има различна финост и компактност, което от своя страна оказва пряко влияние върху механичните свойства на чугуна.

Промишленият ковък чугун често се произвежда с феритна основа, която осигурява по-голяма пластичност.

Външният вид на счупване на феритното ковко желязо има черен кадифен вид. Колкото по-голямо е количеството перлит в структурата, толкова по-лека ще стане фрактурата.

По принцип, сферографитен чугун се получава от отливки от бяло желязо поради дългото изтощаване в пещи, нагрявани до температура от 800-950 градуса по Целзий.

Днес има два начина за производство на ковко желязо: европейски и американски.

Американският метод е сплавта да се изтощи в пясък при температура 800-850 градуса. При този процес графитът се намира между зърна от най-чистото желязо. В резултат на това чугунът става вискозен.

При европейския метод отливките тънат в желязна руда. Температурата в същото време е около 850-950 градуса по Целзий. Въглеродът преминава в желязна руда, поради което повърхностният слой на отливките се обезвъглеродява и става мек. Чугунът става ковък, докато сърцевината остава крехка.

Маркировка на ковко желязо: KCh 40-6, където KCh е, разбира се, ковко желязо; 40 - индекс на якост на опън;6 – удължение, %.

Други индикатори

Що се отнася до разделянето на чугуните по здравина, тук се прилага следната класификация:

• Типична якост: σv до 20 kg/mm2.
• Повишена якост: σv=20 - 38 kg/mm2.
• Висока якост: σv=40 kg/mm2 и повече.

Според пластичността чугуните се разделят на:

• Негъвкави - по-малко от 1% удължение.
• Ниска пластмаса - от 1% до 5%.
• Пластмаса - от 5% до 10%.
• Повишена пластичност - повече от 10%.

В заключение бих искал също да отбележа, че свойствата на всеки чугун са значително повлияни дори от формата и естеството на изливането.