Что такое чугун: состав и содержание углерода в сплаве. Сколько углерода в чугуне?

Он используется в качестве сплава для баланса механических свойств отливок с различной толщиной стенок, а также для повышения твердости, коррозионной стойкости и обрабатываемости.

В зависимости от химического состава сплава и пропорций графита, цементита и других составляющих различают следующие виды железа:

• Серый. Имеет природный цвет графита, в его составе присутствует кремний. Данный сорт чугунного сплава легко поддается резке и применяется в машиностроении. При добавлении фосфора становится текучим, подходит для вех видов литья.
• Белый. Этот цвет обусловлен наличием в составе сплава карбида железа. Подлежит дальнейшей обработке для получения ковкого чугуна и стали, благодаря чему получил название «передельный». Тверд, но хрупок, для самостоятельного использования не пригоден.
• Ковкий. Его получают путем длительного обжига белого чугуна. Обладает повышенной прочностью и сопротивляемостью к ударам. Этот вид чугунного сплава используют для изготовления деталей сложной конструкции.
• Высокопрочный. Данный сорт чугуна образуется при добавлении в жидкий сплав специальных добавок. Его применяют в машиностроении для изготовления поршней, коленвалов, шестерен, требующих особой износоустойчивости.

Этот сплав характеризуется следующими свойствами:

• физические (удельный вес, коэффициент линейного расширения, действительная усадка);
• тепловые (в зависимости от состояния, твердого или жидкого, меняется объемная теплопроводность материала);
• механические (обусловлены не только самой основой, но также размерами и формой графита);
• гидродинамические (вязкость материала зависит от наличия в составе серы и марганца, в процессе затвердевания сплава данное свойство усиливается);
• технологические или литейные качества, в том числе устойчивость к вибрациям и износу;
• химические (зависят от свойств примесей, входящих в состав сплава).

Влияние примесей на свойства материала

Компоненты, входящие в состав чугуна, влияют на качество сплава:

• сера способствует снижению тугоплавкости и текучести чугуна;
• фосфор уменьшает прочность, но дает возможность варьировать форму готовых изделий;
• кремний снижает температуру плавления металла и усиливает его литейные качества. Кроме того, этот элемент позволяет получать сплавы разного цвета: от чисто-белого до ферритного;
• марганец придает чугуну прочность и твердость, но снижает литейные и технологические свойства готового материала;
• введение в состав титана, алюминия, хрома, никеля или меди позволяет изготавливать легированные сплавы. Они обладают высокими литейными качествами и доказали хорошую механическую обрабатываемость.

1. Физическими. К этим характеристикам относятся: удельный вес, коэффициент линейного расширения, действительная усадка. Удельный вес меняется в зависимости от содержания в материале углерода.
2. Тепловыми. Теплопроводность материала принята рассчитывать по правилу смещения. Для твердого чугуна объемная теплоемкость равна 1 кал/см 3* о С. Если чугун жидкий, то она равна примерно 1,5 кал/см 3 * о С.
3. Механическими. Эти свойства зависят от самой основы, а так же от размеров и формы графита. Самым прочным считается серый чугун с перлитной основой, а самым пластичным — с ферритной основой. Максимальное снижение прочности наблюдается при форме графита «пластинка», а минимальное – при форме «шар».
4. Гидродинамическими. Вязкость в чугуне меняется в зависимости от наличия марганца и серы. Так же она резко возрастает когда температура чугуна переходит точку начала затвердевания.
5. Технологическими. Чугун обладает отличными литейными свойствами, стойкости к износу и вибрации.
6. Химическими. По электродному потенциалу (по мере убывания) структурные составляющие чугуна располагаются в следующем виде: цементит — фосфидная эвтектика — феррит.

Различия в химическом составе и свойствах чугуна и стали

На свойства чугуна влияют некоторые примеси.

• Так добавление серы позволяет существенно уменьшить жидкотекучесть и снизить тугоплавкость.
• Добавление фосфора одновременно дает возможность создать изделие сложной формы, но не дает ему повышенной прочности.
• Примесь в виде кремния делает температуру плавления не такой высокой и значительно улучшает свойства литья. Различное процентное содержания кремния позволяет создать разный чугун: от чисто-белого до ферритного.
• Марганец ухудшает литейные и технологические свойства, но повышает прочность и твердость.

Помимо вышеупомянутых добавок, чугун может содержать и другие компоненты. В этом случае такие материалы называются легированными. Наиболее распространенными материалами, добавляемыми в чугун, являются титан, хром, алюминий, никель и медь.

Читайте далее, чтобы узнать, какие элементы входят в химический состав чугуна.

В следующем видеоролике объясняется, как сваривать чугун электросваркой:

Структура и состав

Если рассматривать чугун как конструкционный материал, то он представляет собой металлическую полость с включениями графита. Структура чугуна в основном состоит из перлита, лентебурита и нодулярного железа. В каждом типе чугуна эти элементы преобладают в разных пропорциях или отсутствуют вовсе.

По структуре чугун может быть:

• перлитные,
• ферритные и
• ферритно-перлитный.

Графит встречается в форме в этом материале:

• Шаровидная. Графит приобретает такую форму при добавлении присадки магния. Шаровидная форма графита характерна для высокопрочных чугунов.
• Пластичная. Графит похож на форму лепестков. В такой виде графит присутствует в обычном чугуне. Этот чугун обладает повышенными свойствами пластичности.
• Хлопьевидный. Графит приобретает такую форму в результате отжига белого чугуна. Графит в хлопьевидном виде находится у ковкого чугуна.
• Вермикулярный. Графит названной форма находится у серого чугуна. Она была разработана специально для улучшения пластичных и прочих свойств.

Производство металла

Чугун производится в специальных доменных печах. Основным сырьем для производства чугуна является железная руда. Технологический процесс включает в себя восстановление оксидов железа из руды для получения другого материала — чугуна. Для производства чугуна используются следующие виды топлива: Кокс, природный газ и термокарбонат.

После восстановления руды железо находится в твердой форме. Затем он опускается в специальную зону печи (пар), где растворяется углерод, содержащийся в железе. В результате получается жидкий чугун, который опускается на дно печи.

Цена чугуна (за 1 кг) зависит от содержания углерода, наличия дополнительных примесей и легирующих элементов. Ориентировочная цена одной тонны чугуна составит 8000 рублей.

Поскольку состояние углерода в расплаве изменяется при различных условиях охлаждения и в присутствии других веществ в составе сплава, свойства чугуна также могут значительно отличаться. Это можно увидеть невооруженным глазом по цвету свежего излома без ржавчины. Как правило, чугуны темного цвета (серый чугун) содержат наибольшую долю свободного углерода в виде графитовых включений различной формы.

Содержание химически связанного углерода отражается на цвете сплава, он явно светлее, такой чугун называется белым. Перлитный чугун может состоять из равных частей связанного и свободного углерода, что отражается на цвете изделий. На протяжении веков существовала упрощенная классификация цветов чугуна, разделяющая его на три типа: белый, серый и полусерый.

Белый

Белый чугун имеет самый легкий излом. Он содержит наибольшее количество углерода, связанного с железом и другими металлами. Он образуется при быстром охлаждении. Применение этого типа сплава ограничено из-за его низкой прочности.

Обычно белый чугун повторно используется для производства других видов чугуна и стали.

Серый

При более медленном охлаждении в расплаве происходит гораздо больше процессов. Углерод частично связан с металлами, но значительная часть кристаллизуется в чистом виде и образует графитовые включения. Размер и форма этих включений зависят от скорости охлаждения расплава и наличия различных примесей. Именно так производится чугун, который используется в различных сферах бизнеса и повседневной жизни. Различают ковкий и ковкий чугун.

Половинчатый

При специальных условиях охлаждения получаются сплавы, в которых доля связанного и свободного углерода приблизительно равна. Применяется для деталей двигателя, основным требованием к которым является устойчивость к абразивному износу: коленчатые валы, колесные пары и многие другие. В этом случае графит играет роль смазки.

Свойства ковкого чугуна

Сплав получают из белого чугуна с дополнительным длительным отжигом при температуре 950 °C в сосуде, заполненном песком. Таким образом можно добиться относительной вязкости металла. Конечно, это не позволяет обрабатывать металл ковкой, но в достаточной степени повышает устойчивость материала к ударным нагрузкам.

Как и серый чугун, ковкий чугун содержит в своей структуре углеродные включения в виде графита в стальной основе. Однако структурное различие заключается в том, что графит распределен в массе сплава в виде крошечных хлопьев, изолированных друг от друга. Таким образом, металл меньше раскалывается, а материал приобретает большую пластичность и податливость.

Свойства чугуна с шаровидным графитом в значительной степени зависят от размера включений графита в микроструктуре. В зависимости от строения микроструктуры этого вида железа различают два типа: ферритный (класс F) и перлитный (класс P). Перечислены следующие марки ковкого чугуна: ферритный и ферритно-перлитный КЧ30-6, КЧ33-8, КЧ35-10, КЧ37-12; перлитный КЧ45-7, КЧ50-5, КЧ55-4, КЧ60-3, КЧ65-3, КЧ70-2, КЧ80-1,5. Первая цифра указывает минимальную прочность в кгс/мм², вторая — минимальное линейное удлинение.