Что такое чугун: состав и содержание углерода в сплаве

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:

• Белый чугун — в нем углерод представляет собой карбид железа. При этом на его разломе видно белый отлив, откуда и пошло его название. В чистом виде он не используется. Применяется в процессе производства ковкого чугуна.
• Для серого чугуна характерен серебристый отлив на изломе. Он имеет широкую сферу применения и отлично обрабатывается при помощи резцов.
• Высокопрочный сплав используется для повышения прочностных характеристик изготавливаемого материала. Его получают из серого чугуна путем добавления к его массе примеси магния.
• Ковкий чугун также является одной из разновидностей серого чугуна. Его название говорит о том, что он обладает повышенной пластичностью, а получают его из белого чугуна при помощи отжига.
• Половинчатый — обладает специальными свойствами. Часть углерода в его составе находится в виде графита, остальная часть — в виде цементита.

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:

1. Стоимость стальных изделий выше стоимости чугунных.
2. Различия в цвете: чугун темный и матовый, а сталь — светлая и блестящая.
3. Сталь хуже поддается литью, но, в отличие от чугуна, легче поддается ковке и сварке.
4. Сталь обладает большей прочностью, нежели чугунный сплав.
5. Сталь тяжелее по весу.
6. В ней содержание углерода ниже, чем в чугуне.

Достоинства и недостатки

Этот материал, как и любой другой, имеет свои сильные и слабые стороны.

К достоинствам чугуна относятся такие факторы:

• Иногда его даже сравнивают по характеристикам со сталью, ведь определенные его виды отличаются повышенной прочностью.
• Длительное время сохраняет температуру: при нагревании тепло по нему распределяется равномерно и долгое время остается неизменным.
• Является экологически чистым материалом, благодаря чему нередко используется при изготовлении посуды, в которой непосредственно будет готовиться пища.
• Не реагирует на кислотно-щелочную среду.
• Является долговечным материалом.
• Чем дольше используется изделие из этого материала, тем лучше становится его качество.
• Этот материал является абсолютно безвредным для организма человека.

К недостаткам можно отнести следующие факторы:

• Может покрываться ржавчиной даже при непродолжительном нахождении в нем воды.
• Является весьма дорогостоящим материалом, но несмотря на это, целиком оправдывает себя. Качество, практичность и надежность — вот основные признаки изделий, изготовленных из этого сплава.
• Серый чугун характеризуется маленькой пластичностью.
• Белый — весьма хрупок и идет чаще всего на переплавку.

Характерные черты и свойства чугуна

Этот металлический сплав обладает такими свойствами:

1. Физические свойства: удельный вес, действительная усадка, коэффициент линейного расширения. Например, содержание углерода в чугуне напрямую влияет на его удельный вес.
2. Тепловые свойства. Теплопроводность обычно рассчитывают по правилу смещения. Для твердого состояния металла объемная теплоемкость составляет 1 кал/см3*оС. Если металл находится в жидком состоянии, то она примерно равна 1,5 кал/см3*оС.
3. Механические свойства. Примечательно, что на эти свойства влияет как сама основа, так и форма и размеры графита. Серый чугун с перлитной основой является наиболее прочным, а с ферритной — самым пластичным. Пластинчатая форма графита характеризуется максимальным снижением прочности, в то время как у шаровидной формы это снижение минимально.
4. Гидродинамические свойства. Наличие в составе марганца и серы влияет на вязкость материала. Также она имеет свойство увеличиваться, когда температура сплава переходит точку начала затвердевания.
5. Технологические свойства. Этому металлу характерны отличные литейные качества, а также стойкость к износу и вибрации.
6. Химические свойства. По мере убывания электродного потенциала структурные составляющие сплава располагаются в следующем порядке: цементит — фосфидная эвтектика — феррит.

На свойства сплава также оказывают влияние специальные примеси:

• Добавление серы значительно уменьшает текучесть и снижает тугоплавкость.
• Фосфор позволяет изготовить изделия разнообразной формы, но при этом уменьшает его прочность.
• Добавление кремния уменьшает температуру плавления материала, а также заметно улучшает литейные свойства. Содержание кремния в различном процентном соотношении дает возможность получить сплавы разного цвета: от ферритного до чисто белого.
• Присутствие в сплаве марганца значительно повышает твердость и прочность материала, но при этом ухудшаются его литейные и технологические качества.
• Кроме этих примесей в состав сплава могут также входить иные компоненты. В таком случае материалы называют легированными. Чаще всего к чугуну примешиваются титан, алюминий, хром, медь и никель.

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:

• Перлитный.
• Ферритный.
• Ферритно-перлитный.

При этом графит может присутствовать в нем в одной из таких форм:

1. Шаровидной: графит принимает эту форму при добавлении присадки магния. Обычно она свойственна высокопрочным чугунным изделиям.
2. Пластичной: графит напоминает форму лепестков (именно в такой форме он присутствует в обычном чугуне). Такой материал характеризуется повышенной пластичностью.
3. Хлопьевидной: такая форма получается в процессе отжига белого чугуна. Графит в хлопьевидной форме встречается в составе ковкого чугуна.
4. Вермикулярной: графит в этой форме присутствует в сером чугуне. Она разрабатывалась специально для повышения его пластичных свойств.

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.

СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВА CEPЫX, КОВКИХ И

Изучить особенности микроструктуры серых, ковких, высокопрочных чугунов, способы их получения, область применения.

7.2.1 Изучить справочные данные. Ознакомиться с устройством и работой приборов используемых в работе.

7.2.2 Провести эксперимент и занести полученные данные в таблицу 7.1.

7.2.3 Написать отчёт.

7.3 Оборудование и материалы на рабочем месте

7.3.1 Металлографический микроскоп МИМ–7.

7.3.2 Комплект микрошлифов чугунов.

7.3.3 Альбом микроструктур.

7.4 План выполнения работы

7.4.1 Изобразить стабильную диаграмму (Fe–Г).

7.4.2 Описать особенности микроструктурного анализа чугунов.

7.4.3 Описать влияние различных факторов на процесс графитизации чугуна.

7.4.4 Описать способы получения серого чугуна.

7.4.5 Описать способы получения ковкого чугуна.

7.4.6 Описать способы получения высокопрочного чугуна.

7.4.7 Рассмотреть под микроскопом нетравленные шлифы различных чугунов.

7.4.8 Рассмотреть под микроскопом после травления микроструктуры серых, ковких, высокопрочных чугунов, зарисовать их схематично, определить тип металлической основы, привести примеры применения. Данные занести в таблицу 7.1.

Таблица 7.1 – Результаты наблюдений

Продолжение таблицы 7.1

7.5 Справочные данные

Чугун – это сплав железа с углеродом, содержащий более 2,14%С. Наибольшее применение в машиностроении получили отливки из серого чугуна. Серый чугун отличается от белого тем, что в нем весь углерод или большая его часть находится в виде графита. Графит виден под микроскопом в форме пластин даже на нетравленном шлифе. Он придает излому серый цвет (это определило его название).

Процесс образования графита в чугуне начинается с появления центров графитизации, вокруг которых растут графитные включения. На процесс графитизации влияют скорость охлаждения и химический состав чугуна. В толстых сечениях отливок, где охлаждение идет медленнее, графита образуется больше. В тонких сечениях охлаждение проходит быстрее и графитизация затруднена.

Процесс графитизации дополнительно регулируют, изменяя химический состав. Например, известно, что кремний способствует процессу графитизации, поэтому в тонкостенных отливках его содержание доводится до 4,5%, а крупные детали отливают из чугуна с меньшим содержанием углерода и кремния.

Марганец способствует образованию цементита Fе С (отбеливает чугун). Его вводят в чугун до l,3% для увеличения твердости.

Фосфор в чугуне увеличивает жидкотекучесть, что очень ценно для тонкостенных отливок, художественного литья.

Графитизация чугуна из жидкого состояния проходит согласно диаграмме Fe–С (рисунок 7.1) Сплошные линии – метастабильная диаграмма Fe–Fe C. Пунктирные линии – ста­бильная диаграмма Fe–Г. Ниже линии С’Д’ образуется первичный графит, по эвтектической линии Е’C’F’–эвтектический графит, по линии S’Е’ – вторичный графит. Если при кристаллизации графит не успевает выделиться и образуется цементит, то графитизация может произойти в твердом состоянии в момент распада аустенита, когда из него выделяется цементит. Для этого делает выдержку при 740ºС.

Рисунок 7.1 – Стабильная диаграмма Fe–Ц

В зависимости от формы графитных включений чугун делится на:

– серый (линейная форма графита);

– ковкий (хлопьевидная форма графита);

– высокопрочный (шаровидная форма графита рисунок 7.2).

Включения графита можно увидеть на нетравленом шлифе.

Рисунок 7.2 – Разновидности чугуна по форме графита на нетравленом шлифе:

а – серый, б – ковкий, в – высокопрочный

Серый чугун

Серый чугун, как и белый, получается непосредственно при заливке чугуна в формы, но охлаждение отливок ведется медленно. При этом цементит, выделившийся из жидкого раствора, распадается с образованием графита: Fe С→Fe (γ) C + Г. При температуре линии P’S’К’ распад цементита проходит по схеме: А→Ф+Ц→Ф + Fe (C) +Г.

В структуре серого чугуна различают металлическую основу и графитные включения в виде пластин, которые действуют как надрезы в металлической основе.

Металлическая основа чугуна может быть ферритной, феррито–перлитной, перлитной. Ферритный чугун получают при очень медленном охлаждении, когда графит образуется из жидкости, а заканчивается образование графита при распаде цементита, выделившегося из аустенита на линии P’S’К’ (рисунок 7.3 а).

Если скорость охлаждения увеличить, то часть цементита не успеет превратиться в графит, чугун будет иметь феррито–перлитную структуру (рисунок 7.3).

При более быстром охлаждении получается перлитный чугун (рисунок 7.3 в). Об­разованию перлитной основы способствует марганец. С увеличени­ем количества перлита твердость и прочность на разрыв у чугуна увеличивается, а пластичность уменьшается.

Предел прочности на растяжение, на изгиб во многом зависят от количества, размеров и формы графитных включений. Чем они крупнее, тем хуже механические свойства чугуна.

Величину и форму графитных включений можно регулировать модифицированием. Для этого в жидкий металл вводят модификаторы (ферросилиций, силикокальций) которые являются искусственными центрами графитизации. Т.к. их много, то графитные включения по­лучаются мелкие, тонкие, завихренные, равномерно распределенные по сечению детали (рисунок 7.3 г).

Рисунок 7.3 – Микроструктура серого чугуна: а – ферритный;

б – феррито–перлитный; в – перлитный; г – модифицированный.

Маркируется серый чугун по ГОСТ 1412–85 следующим образом: СЧ 30 (СЧ – серый чугун, 30 – = 300 МПа – временное сопротивление разрыву). Механические показатели и область применения серого чугуна приведены в таблице 7.1.

Ковкий чугун

Многие детали тракторов, автомобилей, сельхозмашин имеют слож­ную конфигурацию, в работе подвергаются ударным нагрузкам. Наиболее экономически выгодно изготавливать такие детали литьем. Сталь име­ет плохие литейные свойства, деталь получается дорогой. Серый чу­гун имеет хорошие литейные качества, но линейная форма графита не позволяет материалу работать с ударной нагрузкой. Необходимую вязкость, хорошую сопротивляемость ударной нагрузке имеет ковкий чугун, у которого в ферритной или перлитной основе расположены хлопьевидные включения графита.

Ковкий чугун получают следующим образом. Детали отливают из белого чугуна, затем их укладывают в ящики, засыпают песком и подвергают длительному отжигу. График отжига на ковкий чугун представлен на рисунок 7.4.

Готовые отливки нагревают до температуры 400°С и выдерживают, чтобы из чугуна удалился водород, который препятствует процессу графитизации. Затем температуру повышают до 1000°С и выдерживают при этой температуре 6–8 часов. Во время остановки цементит, входящий в состав ледебурита, распадается на аустенит и графит хлопьевидной формы. При последующем медленном охлаждении чугуна аустенит превращается в механическую смесь – перлит. Этот чугун называют белосердечным (рисунок 7.4.а). Для повышения вязкости перлитный ковкий чугун иногда подвергают сфероидизации, делают II стадию отжига, выдержку при 760 °С. При этой температуре происходит распад аустенита на перлит и графитизация выделившегося из него цементита.

Рисунок 7.4 – Схема ступенчатого отжига на ковкий чугун:

а – перлитный, б – ферритный.

В результате получится ферритная металлическая структура с хлопьевидными включениями графита. Из–за большого количества графита излом де­тали приобретает тёмный цвет, и чугун называется черносердечным.

Маркируется ковкий чугун по ГОСТ I2I5–79 так: КЧ 30–6 (первая цифра обозначает временное сопротивление разрыву , МПа, вторая – относительное удлинение %). Ковкий чугун имеет более высокие механические свойства, чем серый. Механические показате­ли и область применения ковкого чугуна даны в таблице 7.2.

Высокопрочный чугун

В высокопрочном чугуне графит равномерно, небольшими плот­ными шариками распределяется в металлической основе. Достигается это следующим образом. В жидкий сплав вводят лигатуру (порцию) модификатора (магний, церий). Остатки сгоревшего магния служат центрами графитизации, т.к. центров много, то и распределение графита по всему объёму детали получается более равномерным, малыми порциями (шариками).

В зависимости от скорости охлаждения высокопрочный чугун имеет ферритную или феррито–перлитную металлическую основу (рисунок 7.5)

Рисунок 7.5 – Микроструктура высокопрочного чугуна:

а – феррито–перлитного, б – ферритного

Высокопрочный чугун применяют для изготовления деталей машин, подвергаемых ударам, действию переменных нагрузок. Маркируется высокопрочный чугун по ГОСТ7293 – 85: ВЧ50. Цифра обозначает временное сопротивление разрыву , МПа. Некоторые механические показатели и примеры применения этих чугунов представлены в таблице 7.2.

7.6 Содержание отчёта

В отчёт включается: цель работы, определение чугуна, описание его разновидности и способы их получения, результаты испытаний (таблица 7.1), сделать выводы.

7.7 Вопросы для контроля

7.7.1 В чём отличие серого чугуна от белого?

7.7.2 Какие факторы влияют на процесс образования графита?

7.7.3 Как делятся серые, ковкие высокопрочные чугуны по структуре металлической основы?

12. Белый и серый чугун. Влияние различных факторов (скорости охлаждения и состава) на формирование структуры серых чугунов. Маркировка серых чугунов.

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. В зависимости от преобладающей структуры различают серый чугун на перлитной, ферритной или ферритоперлитной основе. При медленном охлаждении сплавов железо – углерод происходит выделение графита. Серый чугун широко применяется в машиностроении, так как легко обрабатывается и обладает хорошими свойствами. В зависимости от прочности серый чугун подразделяют на 10 марок (ГОСТ 1412). Серые чугуны при малом сопротивлении растяжению имеют достаточно высокое сопротивление сжатию. Серые чугуны содержат углерода – 3,2…3,5 %; кремния – 1,9…2,5 %; марганца –0,5…0,8 %; фосфора – 0,1…0,3 %; серы – < 0,12 %. Учитывая малое сопротивление отливок из серого чугуна растягивающим и ударным нагрузкам, следует использовать этот материал для деталей, которые подвергаются сжимающим или изгибающим нагрузкам. В станкостроении это – базовые, корпусные детали, кронштейны, зубчатые колеса, направляющие; в автостроении — блоки цилиндров, поршневые кольца, распределительные валы, диски сцепления. Отливки из серого чугуна также используются в электромашиностроении, для изготовления товаров народного потребления. 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. Лучшими прочностными свойствами и износостойкостью обладают перлитные серые чугуны. Из серого чугуна отливают элементы конструкций, хорошо работающие на сжатие: колонны, опорные подушки, башмаки, тюбинги, отопительные батареи, трубы водопроводные и канализационные, плиты для полов, зубчатые колеса и другие детали. При маркировке серого и модифицированного чугуна, например СЧ12-28, первые две цифры обозначают предел прочности при растяжении, последующие две – предел прочности при изгибе.

В готовом чугуне содержится около 93% железа, до 5 % углерода и небольшое количество примесей кремния, марганца, фосфора, серы и некоторых других элементов, перешедших в чугун из пустой породы.

13.Чугуны с пластинчатой и хлопьевидной формой графитных включений. Способы получения, свойства, маркировка. Серые чугуны — образуются только при малых скоростях охлаждения в узком интервале температур, когда мала степень переохлаждения жидкой фазы. В этих условиях весь углерод или его большая часть графитизируется в виде пластинчатого графита, а содержание углерода в виде цементита составляет не более 0,8 %. У серых чугунов хорошие технологические и прочностные свойства, что определяет широкое применение их как конструкционного материала.

Серые, высокопрочные, ковкие чугуны характеризуются тем, что весь углерод в них или часть его находится в свободном состоянии в виде графита, равномерно распределенного в металлической основе.

Формы выделения графита у них различные. По структуре металлической основы эти чугуны могут быть:

а) ферритными (из феррита и графита);

б) феррито–перлитными (из феррита, перлита, графита);

в) перлитными (из перлита, графита).

Таким образом, их структура представляет собой металлическую основу, похожую на доэвтектоидную и эвтектоидную сталь, пронизанную графитными включениями.

На графитизацию чугуна существенное влияние оказывает количество присутствующих в нем элементов, наличие центров кристаллизации графита и скорость охлаждения.

Все элементы, вводимые в чугун, делятся на графитообразующие (С, Si, Al, В, Br и др.) и карбидообразующие (Мn, Сr, V, W, Ti, Mo и др.).

Скорость охлаждения оказывает существенное влияние на графитизацию чугуна. Чем меньше скорость охлаждения, тем полнее протекают процессы графитизации.

В серых чугунах графит присутствует в форме пластинок (чешуек).

Свойства серых чугунов при одинаковой металлической основе зависят от размеров, количества и распределения графитных включений. Их можно рассматривать как трещины, поры, внутренние разрезы, нарушающие целостность металлической основы.

Чем больше графита в чугуне, чем грубее его включения и чем меньше они изолированы друг от друга, тем ниже качество чугуна. С увеличением количества перлита при одной и той же форме графитных включений механические свойства (прочность, твердость) чугуна повышаются.

Серые чугуны маркируются буквами: С – серый и Ч – чугун, после буквы следуют цифры, указывающие величину сопротивления при растяжении.

Ковкие чугуны получают отжигом отливок, изготовленных из белого чугуна. В процессе отжига цементит, входящий в структуру белого чугуна, распадается на железо, и графит, имеющий хлопьевидную форму (при затвердевании отливок – обычного серого чугуна – такую форму графит не принимает). Хлопьевидная форма графита улучшает пластические свойства чугуна: такой чугун не разрешается при ударах и изгибе.

В зависимости от строения металлической основы различают перлитный, феррито-перлитный и ферритный ковкие чугуны. Последний из них наиболее пластичен, твердость его минимальна. Маркируется ковкий чугун буквами: К – ковкий, Ч – чугун и цифрами. Первые две цифры – ₂, вторые – относительное удлинение.

Отличия чугуна от стали

Сталь и чугун – это одни из наиболее популярных видов литейных материалов, применяющихся в промышленности. По своим свойствам они довольно схожи, понять, чем отличается сталь от чугуна, можно разными способами. Некоторые из методов можно использовать только в заводских условиях с помощью высокоточного оборудования, другие подходят для применения в быту.

Основное отличие чугуна от стали заключается в составе металлов. Сталь представляет собой сплав железа (45%) с углеродом (не более 2%) и легирующими примесями, в качестве которых могут выступать такие вещества, как никель, молибден либо другие. Этот металл отличается высокой прочностью, пластичностью, легкостью обработки. В состав чугуна также входит железо с углеродом, но последнего должно быть от 2% и больше. В качестве легирующих добавок обычно выступает кремний, фосфор, марганец или другие компоненты.

Различия физико-химических характеристик

Основная разница в качествах этих металлов заключается в следующем:

• Твердость стали выше, чем у чугуна.
• Масса стальных изделий меньше, при этом материал легче плавится.
• Определенные виды обработки доступны только для стальных заготовок (ковка, сварка), в то время как чугунные изделия изготавливаются только литьевым методом.
• Теплопроводность чугунных изделий ниже, чем у стальных аналогов.
• Чугун не нуждается в обязательной закалке.

Можно ли отличить чугун от стали визуально?

Если речь идет о фрагментах или заготовках, обработка которых не нанесет вреда, можно посмотреть на визуальные отличия металлов. На сломе изделия из чугуна появляется темно-серый матовый оттенок, стальная поверхность более светлая, имеет глянцевую текстуру. Внешний вид зависит от содержания углеродистых компонентов, различить их можно по типу трещин: на высокоуглеродистых стальных поверхностях они похожи на дефект в виде раскола, на изделии из низкоуглеродистого сплава железа трещины выглядят как разрыв пластичного типа.

На вопрос о том, можно ли отличить готовые изделия по оттенку или текстуре, можно дать однозначный ответ: предметы из стали более светлые, практически всегда имеют глянцевый оттенок, изделия из чугуна – темные и матовые.

Как отличить чугун от стали?

Чтобы отличать эти металлы друг от друга, можно использовать следующие способы:

• Сверление. Для этого понадобится взять насадку с маленьким диаметром и, выбрав на заготовке ровный участок, высверлить небольшое отверстие. Если при обработке материала образуется тонкая стружка, которая формируется в витую полоску длиной больше используемого сверла, имеет цвета побежалости по всей длине и достаточно хорошо гнется, заготовка сделана из стали. Чугунный сплав менее пластичен, он практически не образует вьюна, а стружка крошится от малейшего механического воздействия: ее легко растереть до состояния порошка, поскольку материал более хрупкий;
• Шлифование. Для этого используется углошлифовальная машинка, для обработки выбирают участок, на который не воздействуют силы трения, контакт с другими металлическими поверхностями или деталями, в противном случае после шлифовки изделие может быть непригодным к дальнейшему использованию. В процессе обработки требуется следить за цветом искры и ее формой. Если сплав чугунный, искра будет короткой, звездочка будет иметь красноватый тон, а если деталь сделана из стали, искр вылетает больше, они имеют увеличенный размер и продолговатую форму. Сами искры имеют желтый или белый цвет. Исключением являются стальные сплавы с повышенным содержанием углерода, которые дают короткую багровую искру с укороченным треком и малой звездочкой.

Методы механического воздействия могут применяться в бытовых условиях, когда нужно определить, чугун или сталь перед вами, без применения специального оборудования. В лаборатории может использоваться современная техника, с помощью которой проводится спектральный или микроскопический анализ свойств металлов. Эти методы обеспечивают результат высокой точности, но используются преимущественно в промышленных целях, на производстве и в научно-технической отрасли ввиду сложности и дороговизны оборудования.

Чугун серый и белый: условия образования

Чугуны являются тройными сплавами железо-углерод-кремний. Различают четыре основных типа чугунов:
– серый чугун;
– белый чугун;
– ковкий чугун;
– чугун с шаровидным графитом.

Химический состав этих четырех типов чугунов представлен в таблице ниже.

Таблица – Четыре основных типа чугунов

Серый чугун – графит, белый чугун – цементит

В сером чугуне формируется графитная эвтектика – углерод находится в нем с основном в форме графита, тогда как в белом чугуне образуется цементитная эвтектика и углерод находится в основном в виде цементита Fe₃C.

Влияние кремния на тип эвтектики в чугунах

Добавление кремния позволяет графиту образовываться более легко, особенно при формировании непосредственно из жидкой фазы. Возможно, что более правильно было бы даже сказать, что добавка кремния делает более трудным образование цементита Fe₃C.

На рисунке 1 показано как кремний снижает температуру эвтектики аустенит-цементит и в то же время поднимает температуру эвтектики аустенит-графит.

Рисунок 1 – Изменение эвтектических температур графита и цементита Fe₃C
с увеличением содержания кремния в чугуне от 0 до 2 %

По рисунку 1 для сплава железо-углерод с содержанием кремния 2 % существует две эвтектические температуры: 1163 ºС при образовании графита и 1120 ºС при образовании цементита. В процессе охлаждения сплава жидкость между дендридами продолжает обогащаться углеродом пока температура до тех пор, пока не образуется одна из этих эвтектик.

Конкуренция между графитом и цементитом

Между двумя типами эвтектик происходит своего рода конкуренция зато, какая из них образуется первой. Эта конкуренция включает три важных фактора:

1) Обе типа эвтектик до начала формирования эвтектики требуют некоторого переохлаждения ниже их эвтектических температур, которые показаны на рисунке 1.
2) Величина переохлаждения возрастает с ростом скорости охлаждения.
3) Величина переохлаждения для образования эвтектики аустенит-цементит меньше, чем та, что требуется для образования эвтектики аустенит-графит.

Медленное охлаждение – серый чугун

Предположим, что междендритная жидкость охлаждается до 1130 ºС и при этом ни одна из эвтектик не сформировалась. Затем жидкость охлаждается еще на 33 ºС – с 1163 до 1130 ºС. Этого переохлаждения достаточно для образования графитной эвтектики. Для образования цементитной эвтектики этого охлаждения не достаточно, так как температура жидкости не опустилась ниже 1120 ºС. Поэтому в этих условиях цементитная эвтектика не может образоваться. Теоретически переохлаждения 33 ºС достаточно для образования графитной эвтектики и в результате этого получается серый чугун.

Быстрое охлаждение – белый чугун

Представим, что охлаждение того же железоуглеродистого сплава с 2 % кремния ведется быстрее, так, что необходимая величина переохлаждения для образования графитной эвтектики увеличивается с 33 до 53 ºС. Это значит, что графитная эвтектика не будет образовываться, пока междендритная жидкость не достигнет 1110 ºС. Однако при температуре 1110 ºС жидкость переохлаждается на 10 ºС температуры цементитной эвтектики 1120 ºС. Поскольку для формирования цементитной эвтектики достаточно небольшого переохлаждения – менее 10 ºС – этот сплав затвердеет как белый чугун.

Практика производства чугунов

Эти «теоретические» выкладки подтверждают практические рекомендации для производства серого и белого чугунов:
1) При одном и том же химическом составе чугуна он будет белым чугуном при быстром охлаждении или серым чугуном при медленном охлаждении.
2) Повышенное содержание кремния в чугуне способствует образованию серого чугуна. Различие графитной и цементитной эвтектических температур снижается с 43 ºС для содержания кремния 2 % до только 6 ºС в чугуне совсем без кремния.
3) В чугуне без кремния, как правило, образуется белый чугун. Это происходит потому, что междендритная жидкость раньше достигает переохлаждения для «белой эвтектики», чем для «серой эвтектики».

Источник: John D. Verhoeven, Steel Metallurgy for Non-Metallurgists, 2007