Чугуны. Свойства чугуна

1. Чугуны

• Согласно диаграмме состояния сплавов Fe—С
область чугуна охватывает сплавы, содержащие
свыше 2,14% С. Практически же в качестве
указанного граничного содержания углерода
принято считать 2% С.
• С повышением содержания легирующих элементов
эта граница, как правило, смещается в сторону
меньших концентраций углерода.
• Так, многие высокохромистые, высококремнистые,
высокоалюминиевые сплавы железа условно
считаются чугуном, несмотря на весьма низкое
содержание углерода.

2.

• По содержанию дополнительных компонентов чугун
подразделяют на
• нелегированный,
• низколегированный,
• средне- и высоколегированный.
• Нелегированным считают чугун, содержащий до
3,5—4% Si, до 1,5—2% Мn, до 0,3% Р, до 0,2— 0,25%
S и до 0,1% таких элементов, как Cr, Ni, Сu.
• В низколегированном чугуне содержание каждого из
перечисленных легирующих элементов обычно не
превышает 1,0—1,5%, в среднелегированном оно
может достигать 7%, а в высоколегированном
превышает 7—10%.
• Добавки сотых и даже тысячных долей процента
таких элементов, как магний, азот, бор, висмут,
считаются легирующими (микролегирование,
модифицирование).

3. ЧУГУНЫ

Чугун – наиболее широко применяемый материал для литых
деталей, используемых при относительно невысоких
напряжениях и малых динамических нагрузках.
• Преимущество чугуна – высокие литейные свойства и
небольшая стоимость по сравнению со сталью.
По назначению чугуны подразделяются на
• передельные (идут на переработку в сталь)
• литейные (для изготовления разнообразных отливок).
В зависимости от формы выделения углерода в чугуне различают:
белый чугун
серый чугун
ковкий чугун
высокопрочный чугун

4. Свойства чугуна

• Чугун менее прочен и более хрупок, чем сталь, но
дешевле стали и хорошо отливается в формы.
Поэтому чугун широко используют для изготовления
литых деталей.
• Углерод в чугуне может содержаться в виде
цементита (Fe3C) или графита.
• Цементит имеет светлый цвет, обладает большой
твердостью и трудно поддается механической
обработке. Графит, наоборот, темного цвета и
достаточно мягок.
• В зависимости от того, какая форма углерода
преобладает в структуре, различают два основных
вида чугуна: белый и серый.

5. Белый чугун

• Весь углерод находится в виде цементита.
Очень твёрдый и хрупкий.
• В основном идёт на передел в сталь и для
получения ковкого чугуна.
• Редко применяется для изготовления
прокатных валков, лемехов плугов и других
изделий, работающих в тяжёлых условиях
износа.

6. Серый чугун (ГОСТ 1412-85)

Содержит 2,4 – 3,8% С в основном в виде
пластинчатого графита; 1,2 – 3,5% Si; до 1,4% Mn;
<0,5% P; <0,2% S.
Маркируется буквами СЧ и числом, указывающим
предел прочности при растяжении (σв) в МПа10-1,
например, СЧ18, СЧ20, СЧ35.
Применяются: СЧ18, СЧ20 – станины станков,
поршни; СЧ25, СЧ30, СЧ35 – детали, работающие на
износ: тормозные барабаны, шестерни, поршневые
кольца и др.

7.

Механические свойства зависят от величины зерна
металла, от размеров и характера распределения
включений графита.
В обычном сером чугуне графит кристаллизуется в виде
пластинок, которые расчленяют основную
металлическую массу и действуют как внутренние
трещины. По этой причине серый чугун с пластинчатым
графитом обладает низкой прочностью и малой
пластичностью (до 0,3 %).
Серый чугун обладает способностью рассеивать
вибрационные колебания при переменных нагрузках.
Это свойство называют циклической вязкостью.
Серый чугун имеет хорошие литейные свойства, а
отдельные марки обладают достаточно высокой
прочностью и износостойкостью.

8.

• Серые чугуны, применяемые в промышленности в
качестве конструкционного материала для литых деталей,
по физико-механическим характеристикам можно условно
разделить на 4 группы: малой прочности, повышенной
прочности, высокой прочности и со специальными
свойствами.
• Детали, получаемые из серого чугуна, со структурой
феррита имеют невысокую прочность, прочные – с
феррито-перлитной структурой и наиболее прочные – с
перлитной структурой.
• Из серого чугуна отливают колонны, котлы, радиаторы,
ванны, трубы, а также самые разнообразные
конструкционные детали для машиностроения.

9. Ковкий чугун (ГОСТ 1215-79)

Содержит 2,2 – 3,0%С в виде хлопьевидного графита; 0,7 –
1,5%Si; 0,3 – 1,0%Mn; ≤ 0,12%S; ≤ 0,18%P.
• Получают длительным отжигом (до 100 часов) белого чугуна.
Маркируется буквами КЧ и двумя числами, первое из которых
означает предел прочности при растяжении в МПа10-1, а второе
– относительное удлинение в %, например, КЧ35-10; КЧ45-6;
КЧ50-4; КЧ65-3.
Применяются для изготовления деталей, эксплуатирующихся
при высоких динамических и статических нагрузках (задние
мосты, крюки, скобы).

10.

• Название «ковкий чугун» условно и указывает лишь на то,
что этот материал по сравнению с серым чугуном является
пластичным. В действительности же ковкий чугун никогда
ковке не подвергают, из него, так же как из серого чугуна,
изготовляют лишь фасонные отливки для
машиностроения.
• Ковкий чугун по механическим свойствам занимает
промежуточное положение между серым чугуном и
сталью. Детали, изготовленные из такого чугуна, хорошо
работают в среде влажного воздуха, поточных газов и
воды. В зависимости от способа производства ковкого
чугуна его подразделяют на группы: ферритный и
перлитный.

11.

• Ферритный ковкий чугун получают при отжиге отливок из белого
чугуна в нейтральной среде. Такой чугун имеет бархатный черный
излом и состоит из феррита и графита
Fe3C→3Fe+C
• Из ферритного ковкого чугуна с повышенной пластичностью
изготовляют ответственные детали для автомобилей и
сельскохозяйственных машин, для этих целей используют марки КЧ
37-12; КЧ 35-10. Для малоответственных деталей (гайки, фланцы и
др.) применяют КЧ 30-6; КЧ 33-8.
• Перлитный ковкий чугун получают после отжига белого чугуна в
окислительной атмосфере. Вследствие обезуглероживания в процессе
отжига отливок получают чугун с меньшей вязкостью.
• Этот чугун находит ограниченное применение в машиностроении. Из
перлитного ковкого чугуна изготовляют карданные валы, звенья цепей
конвейера, муфты и др.

12. Высокопрочный чугун (ГОСТ 7293-85)

Содержит 2,7 – 3,7%С в виде шаровидного графита; 1,6 – 2,7%Si; 0,5 –
0,6%Mn; ≤ 0,10%S; ≤ 0,10%P.
Получают добавлением в жидкий чугун магния в количестве 0,03 –
0,07%.
Под действием магния графит принимает шаровидную форму и
значительно меньше ослабляет металлическую основу чугуна.
Такой чугун по механическим свойствам не уступает литой
углеродистой стали, сохраняя хорошие литейные свойства и
обрабатываемость резанием.
Маркируется буквами ВЧ и числом, означающим предел прочности при
растяжении в МПа10-1, например, ВЧ50, ВЧ60, ВЧ70, ВЧ80, ВЧ100.
Изготавливают изделия, требующие повышенной прочности.

13. Специальные чугуны

а) Антифрикционный чугун (ГОСТ 1585-85) маркируется АЧС-1,
АЧС -3, АЧК-2, применяется в узлах трения.
Маркируют антифрикционные чугуны на перлитовой основе АЧС-1 и
АЧС-2, а на феррито-перлитовый - АЧС-3, АЧС-4, АЧС-5, АЧС-6, (Аантифрикционный, Ч-чугун, С-серый, цифра указывает на различный
химический состав).
• б) Легированный чугун (ГОСТ 7769-82), обладающий
жаростойкостью, коррозионной стойкостью.
Различают: хромистые (ЧХ22, ЧХ9Н5, ЧХ32); кремнистые (ЧС15,
ЧС15М4); алюминиевые (ЧЮ6С5, ЧЮ22); марганцевые (ЧГ7Х4,
ЧГ8Д3); никелевые (ЧН2Х, ЧН15Д7).

14. Литейный чугун

• Литейный чугун получил свое название благодаря своей
легкоплавкости (даже при достаточно низких температурах этот
материал максимально плотно заполняет форму), а также
благодаря возможности производить плотные и беспузыристые
отливки. Кроме того, качественный литейный чугун практически
не изменяет своего объема при переходе из жидкого в твердое
состояние.
• Для того, чтобы добиться подобных эффектов, в обычный
нековкий железный сплав, из которого получают большинство
разновидностей чугуна, добавляют марганец, фосфор, кремний
и/или серу. В зависимости от пропорций этих элементов и
получаются различные марки литейного чугуна:
• - Л1 (с повышенным содержанием кремния (до 3,5%));
• - Л2 (кремний от 2,8 до 3,2%);
• - Л3 (кремний от 2,4 до 2,8%) и т.д.

15. Применение литейного чугуна в строительстве

• Литейный чугун в расплавленном виде легко
заполняет формы, что нашло свое самое активное
применение в строительстве.
• Из этого материала изготавливаются различные
фигурные детали, которые в дальнейшем, чаще
всего, скрепляются болтами (в отличие от сварочного
железа, которые чаще заклепывают или приваривают
друг к другу).
• Помимо непосредственно возведения конструкций,
литейный чугун применяется также и в архитектуре.
Немалое количество украшений мостов или фасадов
зданий сделаны из чугуна.

16. Производство чугуна

• Чугун получают в ходе
доменного процесса,
основанного на
восстановлении железа из
его природных оксидов
коксом при высокой
температуре.
• Процесс восстановления
железа оксидом углерода в
верхней части доменной
печи можно представить по
обобщенной схеме:
• Fe2O3 → Fe3O4 →FeO → Fe.
• Опускаясь в нижнюю часть
печи, расплавленное железо
соприкасается с коксом и
превращается в чугун.
Схема доменной печи:
1 – загрузочная воронка; 2 –
загрузочный конвейер; 3 – шахта;
4 – шлаковая лётка; 5 – фурма; 6 –
шлаковоз; 7 – чугунная лётка; 8 –
чугуновоз; 9 – отходящий газ; 10 –
газоочистка; 11 –
воздухонагреватели

17. Схема производства чугуна и стали

18.

В процессе доменной плавки осуществляется встречное
движение нисходящего потока сырых материалов (шихты) железной руды, агломерата или окатышей, флюсов и топлива
(кокса), загружаемых в доменную печь сверху, и восходящего
потока газов, образующихся при сжигании топлива в горне
печи.
В результате взаимодействия этих потоков содержащиеся в руде
оксиды железа восстанавливаются при помощи углерода кокса
и оксида углерода, образующегося при горении кокса.
Полученное железо, взаимодействуя с коксом,
науглероживается превращаясь в чугун.
В небольших количествах в металл переходят также
восстановленные из шихты кремний, марганец, фосфор и сера.
Жидкий чугун стекает в горн печи.
Расплавленная пустая порода руды, зола кокса и флюсы
образуют шлак, всплывающий над слоем чугуна вследствие
разницы их плотностей.
Чугун и шлак из доменной печи выпускают раздельно через
соответствующие отверстия (лётки).

19.

20. Производство стали

• В стали по сравнению с чугуном содержится
меньше углерода, кремния, серы и фосфора.
Для получения стали из чугуна необходимо
снизить концентрацию веществ путем
окислительной плавки.
• В современной металлургической
промышленности сталь выплавляют в
основном в трех агрегатах: конвекторах,
мартеновских и электрических печах.

21. Схемы производства стали

Выплавка стали сложный процесс в результате которого из-за происходящих
химических реакций осуществляется избирательное окисление примесей чугуна и
перевод их в процессе плавки в шлак и газы. В результате получают сталь
заданного химического состава.

22. Продукция черной металлургии

Основной продукцией черной металлургии являются передельный чугун,
литейный чугун, доменные ферросплавы, стальные слитки и прокат.
Передельный чугун, используемый для передела на сталь, содержит 4,0-4,4%
С; до 0,6-0,8%. Si; до 0,25-1,0% Мn; 0,15-0,3% Р и 0,03-0,07% S. Некоторые
марки чугуна, предназначенные для передела в сталь в конвертерах, имеют
пониженное до 0,07% содержание фосфора. До 90% всего выплавляемого
чугуна приходится на чугун передельный.
Литейный чугун предназначен для производства фасонных отливок
способами литья на машиностроительных заводах, имеет повышенное
содержание кремния (до 2,75-3,25%).
Ферросплавы - сплавы железа с повышенным содержанием марганца,
кремния, ванадия, титана и других металлов. Их применяют для раскисления и
производства легированных сталей. К ферросплавам, относят доменный
ферросилиций, содержащий 9-13% Si и до 3% Мn; доменный ферромарганец,
содержащий 70-75% Мn и до 2% Si; зеркальный чугун с 10-25% Мn и до 2% Si.
Стальные слитки получают в изложницах или кристаллизаторах, подвергают
обработке давлением (прокатке, ковке).
Прокат используют непосредственно в конструкциях (мостах, зданиях,
железобетонных конструкциях, железнодорожных путях, станинах машин и т. д.),
в качестве заготовок для изготовления деталей резанием и заготовок для
последующей ковки и штамповки.

23.

Форму поперечного сечения прокатанного металла называют
профилем.
Совокупность различных профилей разных размеров называют
сортаментом.
Сортамент прокатываемых профилей разделяют на следующие
группы: заготовки, сортовой прокат, листовой прокат, трубы и
специальные виды проката.
Заготовки прокатывают в горячем состоянии непосредственно из
слитков. Заготовки квадратного сечения с размерами от 150х150 до
450х450 мм называют блюмами. Они предназначены для последующей
прокатки на сортовых станах и в качестве заготовок для изготовления
поковок ковкой. Заготовки прямоугольного сечения толщиной 65-300
мм и шириной 600-1600 мм называют слябами. Их используют для
прокатки толстых листов.
Сортовой прокат по профилю подразделяют на две группы: простой
геометрической формы (квадрат, круг, шестигранник, прямоугольник) и
сложной - фасонной формы (швеллеры, двутавровые балки, рельсы,
уголки и т. д.).
Листовой прокат подразделяют по назначению (судостроительный,
электротехнический, автолист и т. д.) и по толщине. Листовую сталь с
толщиной 4-160 мм называют толстолистовой, а с толщиной 0,2-4 мм тонколистовой. Листы с толщиной менее 0,2 мм называют фольгой.

24.

• Трубы также подразделяют по назначению и
способу изготовления.
• Они бывают бесшовные и сварные (с прямым
и спиральными швами).
Специальные виды проката – колеса и оси
железнодорожных вагонов, кольца, зубчатые
колеса, периодические профили и т. п.
Периодическим профилем называют
прокатанную заготовку, форма и площадь
сечения которой периодически изменяются
вдоль оси.