Чугун обладает разнообразными свойствами, характерными для всех металлов, включая тепловые, физические, механические, гидродинамические, электрические, технологические и химические. Рассмотрим каждое из этих свойств более подробно.
При какой температуре плавится чугун: что влияет на процесс
При какой температуре плавится чугун? В среднем плавление чугуна происходит при температуре около +1200 °C. Однако назвать точное значение невозможно, так как температура плавления варьируется в зависимости от конкретного типа чуна и наличия в нем различных добавок, которые и определяют особенности нагревания этого металла.
Где используется чугун? Чугун обладает высокими физическими характеристиками, такими как вязкость и прочность, что делает его востребованным в строительной отрасли, машиностроении, химической промышленности, а также в бытовом производстве и для изготовления различных предметов.
В этом материале вы узнаете:
- Основные виды чугуна и их отличия
- Производственные процессы, связанные с чугуном, и области его применения
- Факторы, влияющие на температуру плавления чугуна
- Сравнение плавления чугуна с другими металлами
- Ответы на часто задаваемые вопросы о температуре плавления чугуна
Основные виды и маркировка чугуна
Чугун состоит из нескольких разновидностей, которые получаются за счет добавления различных легирующих примесей. Эти добавки изменяют характеристики материала и могут включать алюминий, хром, ванадий, никель и прочие элементы, значительно влияющие на состав и, соответственно, конечные свойства сплава. Каждое из этих дополнительных веществ вносит свою уникальность в итоговые качества материала.
Для создания прочного материала частицы графита проходят специальное лечение для достижения сферической формы в кристаллической структуре. В сплав также могут добавляться магний, кальций или церий, что упрощает процесс обработки и улучшает характеристики финального продукта.
Свойства чугуна определяются его термическими характеристиками. Процессы обработки при высоких и низких температурах могут изменять физические свойства материала, такие как твердость, прочность и пластичность, что позволяет адаптировать чугун под разнообразные условия эксплуатации.
Теплоемкость
Теплоемкость представляет собой количество тепла, необходимое для увеличения температуры заготовки на один градус Цельсия. Значение этого показателя зависит от состава сплава и температуры: чем выше температура, тем больше значение теплоемкости.
Примерные значения теплоемкости для чугуна:
- Для твердого металла – 1 кал/°C.
- Для расплавленного металла – 1,5 кал/°C.
Эти значения позволяют рассчитать соотношение между теплоемкостью и объемом вещества.
Теплопроводность
Теплопроводность характеризует способность материала эффективно передавать тепловую энергию. Этот показатель зависит не только от состава сплава, но также и от его структуры. Обычно твердые вещества имеют более высокую теплопроводность по сравнению с расплавленными. Для различных марок стали теплопроводность колеблется в диапазоне от 15 до 100 Вт/(м·К).
Температуропроводность
Температуропроводность относится к физической характеристике, определяющей способность материала изменять свою температуру, принимая во внимание коэффициент теплоемкости.
Маркировка чугуна согласно классификации сталей и сплавов выглядит следующим образом:
- П1, П2 – передельный чугун для сталеплавильного производства, который предназначен для переплавки в сталь или дальнейшего переработки в чугунолитейных цехах для создания отливок;
- ПЛ1, ПЛ2 – передельный чугун для литейного производства, используемый аналогично ранее указанным маркам;
- ПФ1, ПФ2, ПФ3 – фосфористый передельный чугун, служащий для последующего получения стали или переплавки в литейных цехах при производстве отливок;
- ПВК1, ПВК2, ПВК3 – высококачественный передельный чугун, применяемый для производства стали или чугуна при изготовлении отливок;
- СЧ – чугун, в составе которого присутствует пластинчатый графит;
- АЧС-1,-2,-3/АЧВ-1,-2/АЧК-1,-2 – антифрикционный серый чугун с пластинчатым графитом, высокопрочный антифрикционный чугун с шаровидным графитом и ковкий антифрикционный чугун с компактным графитом соответственно;
- ЧН/ЧВ – никелевый низколегированный износостойкий чугун и марганцевый высоколегированный износостойкий чугун;
- Шаровидный графит для отливок обозначается как ВЧ с числовыми значениями, указывающими предел кратковременной прочности и относительное удлинение.
Чугун литейный, передельный
Температура плавления чугуна варьируется от 1150 до 1200 °C (от 2100 до 2190 °F), что на 300 °C (572 °F) ниже температуры плавления чистого железа.
Передельный чугун предназначен для дальнейшей переработки в сталь или переплавки в чугунолитейных цехах на этапе производства отливок. Чугун марки ПЛ1 или ПЛ2 изготавливается с массовой долей углерода в пределах от 4,0 до 4,5% включительно.
Процесс переделки включает два этапа: сначала чугун производится из руды, а затем перерабатывается в сталь. Это важный процесс для сталеплавильной промышленности.
На поверхности отливок не должно быть остатков шлака, однако допускается незначительный налет извести, графита и прочих компонентов, использованных при обрызгивании мульд. Эти вещества не должны влиять на качество готового чугуна.
Передельный чугун делится на следующие марки: П1, П2 для сталеплавильного производства; ПЛ1, ПЛ2 для литейного производства; ПФ1, ПФ2, ПФ3 для фосфористого чугуна; и высококачественный чугун ПВК1, ПВК2, ПВК3, а также чугун с пластинчатым графитом СЧ. Числа после букв «СЧ» обозначают величину временного сопротивления разрыву в кгс/мм. Антифрикционные чугуны обозначаются как АЧС (антифрикционный серый), АЧВ (высокопрочный) и АЧК (ковкий). Чугун с шаровидным графитом маркируется как ВЧ, а цифры после букв обозначают предел кратковременной прочности в кгс/мм.
Чугун передельный маркируется и по массовой доле кремния и включает:
- Передельный чугун для сталеплавильного производства (П1 и П2);
- Передельный чугун для литейного производства (ПЛ1 и ПЛ2);
- Передельный фосфористый чугун (ПФ1, ПФ2, ПФ3);
- Передельный высококачественный чугун (ПВК1, ПВК2, ПВК3).
Передельный чугун производится в чушках без пережимов, с одним или двумя пережимами. Максимальная толщина в местах пережима не должна превышать 50 мм. Вес чушки может составлять 18, 30, 45 или 55 кг. Следует учесть, что количество бракованных чушек не должно превышать 2% от общего веса партии, а отдельные куски поврежденного чугуна должны быть не более 2 кг.
В низкокремнистом передельном чугуне, таким как марки П2, ПФ3 и ПВК3, а также в чугуне марок ПЛ1 и ПЛ2 количество поврежденных чушек должно составлять не более 4% от массы партии и, как правило, такого рода брак не превышает правила.
Литейный чугун
Литейный чугун представляет собой материал, получаемый в доменной печи и содержащий основной процент углерода в виде свободного графита. В его состав также может входить кремний до 3,75%. Он служит одним из ключевых компонентов шихты и используется для производства отливок из серого, ковкого, отбеленного и легированного чугуна, а также модифицированного чугуна в литейном производстве.
Выплавка чугуна может осуществляться несколькими способами, включая коксовый, древесноугольный и специальные методики получения литейного чугуна. При использовании для создания изделий через отливку в земле, литейные чугуны должны соответствовать определенным критериям, таким как легкоплавкость для точного выполнения форм при относительно низких температурах, образуя плотные и беспузыристые отливки с минимальными объемными изменениями в процессе затвердевания изделия. Кроме того, в зависимости от назначения чугун должен обеспечивать отливки с необходимыми свойствами по твердости, прочности и упругости.
Различные марки литейного чугуна, зависящие от массовой доли кремния, включают Л1, Л2, Л3, Л4, Л5 и Л6. Литейный чугун, соответствующий определенной марке по содержанию кремния, но не соответствующий по содержанию серы, переводится в ближайшую марку по содержанию кремния и в соответствующую категорию по содержанию серы.
Литейный чугун поставляется в чушках с количеством пережимов без пережимов, с одним или двумя, обеспечивая чистоту поверхности от остатков шлака. Допускается наличие налета извести, графита и иных компонентов, используемых в процессе литейного производства, которые не должны влиять на итоговое качество чугуна.
Изменения решетки при нагревании
Когда температура поднимается, и чугун достигает 1200 градусов Цельсия, это приводит к переходу кристаллической решетки в жидкое состояние. В этот момент наблюдается увеличение внутренней энергии металла. Когда температура превышает тысячу градусов, структура кристаллической решетки разрушается. На этапе, когда поступающая тепловая энергия продолжает ослаблять молекулярные связи, внутренние запасы энергии в металле значительно возрастают по сравнению с кристаллизованным материалом.
С прекращением нагревания начинается процесс охлаждения. Это приводит к обратной кристаллизации, которая развивается вдоль дендритной схемы. В процессе формирования кристаллов они начинают расти из центральных точек, образуя дендритические структуры, что позволяет интерпретировать кристаллизацию в остывающем, но еще жидком чугуне по принципу «деревянного строительства». Процесс включает дендриты цементита, аустенита и графита, и согласно термодинамическим наблюдениям, графит шаровидной формы представляет собой дендрит с секторальной слоистой структурой.
Гидродинамические свойства
Гидродинамические характеристики чугуна включают динамическую вязкость, поверхностное натяжение и электрические свойства.
Динамическая вязкость
Вязкость чугуна снижается в следующих случаях:
- при увеличении содержания марганца;
- при снижении содержания серы и других неметаллических компонентов.
Температура также оказывает воздействие на динамическую вязкость: с увеличением температуры вязкость уменьшается, причем это соотношение прямо пропорционально – чем выше температура процесса, тем меньше вязкость на этапе начала затвердевания.
Поверхностное натяжение
Поверхностное натяжение чугуна на уровне значений составляет от 800 до 1000 дин/см². Этот показатель значительно изменяется при добавлении неметаллических компонентов в состав сплава, и, как правило, увеличивается при уменьшении содержания углерода.
Токсичность
Чугун часто используется для производства кухонной посуды благодаря своей способности выдерживать значительные температурные изменения и отсутствию токсичных веществ в составе.
Электропроводность чугуна
Этот параметр оценивается по закону Курнакова и отличается у различных типов чугуна:
- серый чугун – от 40 до 120 Мк·ом·см;
- белый чугун – от 50 до 90 Мк·ом·см;
- ковкий чугун – от 30 до 70 Мк·ом·см.
При оценке элементов твердого чугуна по их благоприятному влиянию на снижение электрического сопротивления рассматривается следующий порядок: 1 – кремний, 2 – марганец, 3 – хром, 4 – никель и 5 – кобальт.
Химические свойства
Сопротивляемость чугуна к коррозии зависит от структуры материала и внешних условий. Если рассматривать чугун с точки зрения его электродного потенциала, графит и цементит будут первыми, далее следует фосфидная эвтектика и феррит.
Важно отметить, что разность потенциалов между графитом и ферритом составляет 0,56 В. При увеличении дисперсности, в основном, наблюдается уменьшение ржавости, тогда как сильное снижение дисперсности ведет к обратному эффекту и снижает устойчивость к коррозии. На коррозионную стойкость чугуна также существенно влияют легирующие элементы.
Влияние примесей на характеристики металла
В промышленном чугуне присутствуют примеси, которые существенно влияют на его свойства, характеристики и структуру:
- Марганец замедляет процесс графитизации, что приводит к тому, что чугун становится менее белым и теряет свою хрупкость.
- Сера негативно сказывается на литейных и механических свойствах чугуна.
- Сульфиды образуются преимущественно в сером чугуне.
- Фосфор улучшает литейные характеристики, увеличивает стойкость к износу и повышает твердость, однако при этом чугун сохраняет свою хрупкость.
- Кремний, как важно легирующее вещество, наибольшим образом влияет на структуру материала, что становится основой для получения белого и ферритного чугуна.
Для достижения специфических характеристик в чугун также вводят легирующие примеси, которые получили название легированных. Исходя из добавленного компонента, такие чугуны могут быть охарактеризованы как алюминиевые, хромистые или серные. В основном добавления производятся для получения износостойкого, жаропрочного, немагнитного и коррозионностойкого материала.
В этом видео будет представлено сравнение свойств чугуна и стали:
