Классификация сплавов чугуна марки особые свойства и ассортимент изделий

Обновлено: 30.04.2025

Под понятием «чугун» может подразумеваться как конструкционный материал на основе железа, так и металлический сосуд, округлый горшок для приготовления пищи. Последний попадается редко. Современная посуда теснит.

Совсем устарело слово «чугунка». Так в XIX – начале XX века называли железную дорогу.

Производство чугуна

Зачатки черной металлургии человек освоили уже во II-ом тысячелетии до н. э. Для получения стали. Но доменные печи появились в Европе только в XIV - XV веках. Чугун был получен как побочный ненужный продукт.

Оценили, когда обратили внимание на выдающиеся литейные качества. Удобен для изготовления пушек-ядер, да и сталь из него получать удобнее.

До России технология осмысленно дошла в XVII веке. Случилось это при Петре I, когда искали материал для оружия.

В качестве сырья обычно используются железняки. Наибольший выход получается из магнитного и красного, обильно содержащие Fe.

Для поддержания температуры используется кокс. Воздух для горения подается принудительно. Флюс (известняк) предназначен для снабжения углекислым газом. Основная реакция:

Восстановленное Fe опускается в горн, где насыщается углеродом. Цикл работы печи – непрерывный.

Достоинства и недостатки материала

Стоит обсуждать в сравнении со сталью, хотя низкокачественная углеродистая сталь – тот же чугун по сути.

По некоторым параметрам (плотность, свойство магнититься, типичные химические реакции) ферросплавы практически идентичны. Существенны отличия в технологии использования.

Преимущества:

Умеренная стоимость. Насыщение углеродом – часть процесса выплавки из руды. Снижение его содержания неизбежно удорожает металл.

Превосходные литейные качества. Расплав текуч. С низкой усадкой при кристаллизации, что минимизирует дефекты. Относительно низкая температура плавления.

Изделия прочны, с твердой поверхностью, износостойки.

Используемые в машиностроении составы поддаются обработке резанием.

Долговечны. В том числе в сантехнических, канализационных деталях.

Ставшие ненужными элементы легко утилизировать. Любой пункт приема с руками оторвет.

Из-за высокого содержания углерода хрупок. Мало пригоден для обработки давлением. Из отдельных марок получают кованые изделия отменного качества. Но это скорее работа штучная и в индустриальных масштабах нерентабельная.

Сварка допускается только в крайних случаях. Технология довольно сложна, велик риск возникновения дефектов.

Изделия всегда массивны. Не получится тонкостенная конструкция, так как не выдержит собственного веса и изготовить не удастся.

Легко окисляется во влажной среде. Насквозь не проржавеет из-за неизбежной монументальности, но вид приобретет неопрятный. Детали, расположенные на открытом воздухе, нуждаются в коррозионно стойком покрытии.

Основные характеристики

Чугун широко распространен и востребован черной металлургией. Его производят путем воссоздания железной руды при поддержке углеродного топлива (кокса). В процессе реакции восстановления, полученный расплав получает дополнительную порцию углерода.

Именно, объем углерода, находящийся в свободном состоянии, определяет механические параметры этого чугуна. Одно из свойств, позволяющее применять этот материал не только как передельный металл, но и как литьевой – это довольно высокие литейные качества и малая усадка при застывании отливки. У серого чугуна отмечается высокая текучесть, и это позволяет отливать довольно сложные изделия.

Существует и ограничение на применение изделий полученных из этого чугуна – оно обусловлено тем, этот материал имеет невысокую прочность на изгиб и высокую хрупкость. Но с другой стороны, его отличает высокая прочность на сжатие.

Этот материал отличает и стойкость к износу. Это допускает применять его в узлах, работающих в условиях высокого трения. В таких условиях сильное воздействие оказывают антифрикционные параметры серого чугуна.

Большой объем углерода понижает плотность серого чугуна, она равна от 6,8 до 7,3 тонны на м3.

Включения углерода не позволяют выполнять неразъемные соединения из заготовок, выполненных из серого чугуна, с помощью сварки. Но, тем не менее, разработаны и применяют технологии сварочных работа, которые можно проводить при соблюдении ряд условий. В этот набор входят предварительный нагрев заготовок, применение специализированных электродов с высоким содержанием углерода. Плавное охлаждение шва, это необходимо для удаления напряжений в сварном шве. Но в любом случае, его структура заметно отличается от основного материала.

Классификация чугунов

Существуют несколько видов классификации чугунов.

По содержанию элементарного углерода делятся на:
эвтектический (4,3%);
заэвтектический (4,3-6,67%).
По видам углерода, и цвету излома:
Серый (С -2,5%, в форме перлита) обладает хорошей износостойкостью и понижает силу трения. Применяется при изготовлении деталей промышленного оборудования, подвергающихся циклическим нагрузкам. При добавлении специальных присадок, имеющих в составе Mo, Ni, Cr, B, Cb, Sb улучшается стойкость при использовании в агрессивных средах;
Половинчатый (С – 3,5-4,2%, в форме графита и карбида и наличие следовых количеств цементита и ледебурита). Такой вид нашел свое применение при производстве изделий, подвергающихся постоянному трению.
По физическим параметрам, согласно ГОСТ 1412-54 и 1215-59, различают марки чугуна:
Высокопрочный (ВЧ), образуется путем вкрапления в металлическую решетку шарообразных включений углерода и введении в состав магния, кальция, селена, иттрия. Характеризуется улучшенными механическими, теплопроводными пластическими параметрами.
По специфическим свойствам:
Антифрикционный;
Коррозионностойкий;
Жаростойкий;
Немагнитный.
По шкале твердости Бринелля:
Умеренной твердости (НВ 149-197);
Улучшенной твердости (НВ 197-269);
Твердый (НВ более 269).
По значению временного сопротивления при растяжении:
Улучшенной прочности (20-38 кгс/мм2);
Максимальной прочности (более 38 кгс/мм2).
По магнитным характеристикам:
Паромагнитный – обладающий малой магнитной проницаемостью, содержащий в своем составе присадки из хрома, меди и алюминия.

Маркировка

По Гостам, все существующие марки обозначаются 2 буквами и 2 числами, при этом числа отражают значения временного сопротивления (кгс/мм2) и относительного удлинения (%). К примеру, цифры в марке КЧ-30-6, показывают временное сопротивление — 30 кгс/мм2 и относительное удлинение — 6 %.

Путем введения в состав специальных добавок, модифицируют состав сплава. Тогда к названию марки прибавляется буква М.

Марки стали и сплавы

Конкретную марку стали, цветного металла можно найти при помощи ПОИСКА на нашем портале. В нашем марочнике сплавов перечислены основные марки стали, марки чугуна, марки алюминия и других широко используемых в производстве металлов и их сплавов. Основы расшифровки марок сталей приведены в статье по ссылке.

Отметим, что администрация портала постоянно дополняет справочник марок сталей и цветных металлов новыми марками, с подробными описаниями их характеристик, а так же их зарубежные аналоги стали AISI.

Если Вы считаете, что какая-либо ценная марка стали отсутствует в нашем марочнике, то напишите и мы постараемся обязательно включить её описание и химические свойства в марочник.

Рассмотрим более подробно основные группы марок стали, поскольку именно стали интересуют большинство пользователей:

Прежде всего, нужно отметить, что некоторые марки в силу своего химического состава, механических свойств, условий применения и других параметров могут входить в несколько групп сразу, так например марка стали 12Х18Н10Т относится к конструкционным криогенным, конструкционным легированным, жаропрочным и нержавеющим сталям.

Марки стали для отливок - литейные стали обозначаются на конце буквой Л, в целом стали склонны к значительной усадке и образованию трещин, обладают низкой жидкотекучестью, поэтому для литья применяют специальные стали в которых эти недостатки не так заметны. Существует несколько классификаций литейных марок стали, например по назначению, хим. составу, структуре, способу выплавки, но фактически можновыделить 2 основных группы по назначению - обычные и самые часто используемые (в первую очередь недорогие 15Л-55Л и др.) и специальные стали с особыми свойствами и в основном довольно дорогостоящие, например сталь 20Х21Н46В8РЛ имеет кол-во железа менее 30%, в то время как никеля более 43%. Таким образом добавками легирующих металлов, которые в разном составе соответствующим образом влияют на аустенит, феррит и мартенсит широко регулируются свойства литейных марок стали в нужных пределах, так вышеупомянутый никель имеет 5% растворимость в твердом растворе Fe_α при 700° и 10% при 400° и неограниченную в твердом растворе Fe_γ, на феррит Ni действует повышая пластичность, твердость, удельное электросопротивление и коэрцитивную силу. Снижает магнитную индукцию и магнитную проницаемость, а также повышает ударную вязкость при содержании Ni до 2%; на аустенит Ni влияет понижая точки A₁ и А₃, повышает А₄ и сдвигает точку S влево, незначительно влияет на уменьшение склонности к росту зерна , немного увеличивает прокаливаемость, уменьшает критическую скорость закалки, понижает мартенситную точку М_н и увеличивает количество остаточного аустенита. В целом никель влияет на литейные стали, значительно повышая прочность стали при небольшом повышении пластических свойств, улучшает жаропрочность и крипоустойчивость стали, поэтому никель чаще других элементов используется как легирующий элемент в сталях.

Марки конструкционной стали - самая многочисленная группа марок, которые широко применяются в изготовлении машин, механизмов, оборудования и строительных конструкций. В группу конструкционных марок стали входят также многие нержавеющие, жаропрочные и другие стали, поскольку они используются в специфических условиях эксплуатации, требующих, чтобы соответствующая марка стали имела определенные механические, физические, химические и прочие параметры, рассмотрим основные подгруппы:

• углеродистая обыкновенного качества - самые недорогие и часто используемые для производства проката сплавы стали. Существует 3 группы качества: А (регламентируются только механические свойства), Б (регламентируются только химические свойства), В (регламентируются и механические и химические свойства). Также такие стали поставляются в 3-х видах раскисления: пс - полуспокойные, сп - спокойные и кп - кипящие. Если в наименовании такой стали не указывается степень раскисления, например Ст3 - значит это сталь спокойная Ст3сп, спокойные стали используются чаще других.

• углеродистая качественная - в которых присутствует углерод в количестве от 0,05% до 0,7%, а прочие примеси минимальны. Чем больше углерода в такой марке стали, тем хуже прокат из нее поддается сварке. Марка стали с небольшим содержанием углерода 05кп - 08кп используется для штамповки, с средним содержанием - для производства проката, а с большим - для пружин и изделий с повышенной упругостью.

• легированная - дорогие сплавы стали, сюда входят некоторые нержавеющие, жаростойкие, химически стойкие, устойчивые в условиях холода и другие стали. Применяются для ответственных и нагруженных деталей. Марка стали такого типа имеет присадки хрома, никеля, титана, марганца, молибдена, вольфрама и др. металлов.

• низколегированная для сварных конструкций - сюда входят стали с сумарным содержанием легирующих элементов менее 2,5%, кроме углерода. Легирование в небольших пределах улучшает механические свойства стали, но в тоже время позволяет выполнять качественные сварные соединения.

• криогенная - марки стали, которые сохраняют свои свойства в условиях низких температур, например сталь 12Х18Н10Т имеет ударную вязкость KCU=319 при t=-75 °C, близкая к ней 12Х18Н9Т KCU=250, а обычная сталь 20 всего KCU=34 при t=-60 °C.

• подшипниковая - обладают высокой твердостью и чистотой химического состава, в качестве легирующего компонента обычно используется хром, содержание которого в десятых долях процента пишется в названии марки стали.

• рессорно-пружинная - такие стали имеют высокие предел упругости и сопротивление релаксации напряжений, что позволяет им выдерживать постоянные малые пластические деформации. Так например, сталь 65Г имеет в состоянии после закалки 800-820 °С, масло, отпуск 340-380 °С на воздухе предел прочности при растяжении σ_в=1470 МПа, предел выносливости при испытании на изгиб с симметричным циклом нагружения σ_-1=725 МПа, в то время как обычная марка стали 20 имеет σ_в

206 МПа, таким образом специальная рессорно-пружинная сталь превосходит обычную в несколько раз. Качество стали повышают термообработкой.

• повышенной обрабатываемости (автоматная) - такие марки стали легче поддаются обработке резанием, меньше изнашивают инструмент и дают ломкую стружку, что позволяет обрабатывать их с большей скоростью и качеством, поэтому применяется для изготовления изделий на станках.

• высокопрочная высоколегированная - безуглеродистые сильно легированные сплавы с содержанием добавок более 25%, такие стали обладают высокими механическими свойствами, жаропрочностью, химической стойкостью и т.д., так предел прочности при растяжении большинства этих сталей колеблется в пределах σ_в=2300-3500 МПа и выше, что во много раз превышает свойства обычных сталей.

Марки инструментальной стали - Для обработки резанием используются различные виды материалов: углеродистые, легированные и быстрорежущие стали. Наибольший объем снимаемой стружки приходится на инструмент из твердых сплавов и быстрорежущих сталей.

• Инструментальная углеродистая сталь - используются для инструментов, рабочая поверхность которых не нагреваются выше 150-200 °С, удобство применения таких сталей заключается в их дешевизне и легкости изготовления/правки инструмента в отожженном состоянии сплава, после этого инструмент подвергается закалке и отпуску и его твердость приводится к рабочей.

• Инструментальная валковая сталь - обладает высокой твердостью и стойкостью к истиранию и деформациям, из этой стали делаются прокатные валки, ножи, пуансоны и др. детали подвергающиеся большим нагрузкам.

• Инструментальная штамповая сталь - если для штампов с невысокими ударными нагрузками могут применятся просто инструментальные стали, то для работы с высокими ударными нагрузками (высадка) и с горячим (раскаленным) металлом от марки стали требуется очень высокая прочность и твердость, высокая теплостойкость и вязкость, а также такое изделие должно выдерживать многократный постоянный цикл нагрев-охлаждение без образования термических трещин.

• Инструментальная быстрорежущая сталь - характерной особенностью этих марок является сильное легирование вольфрамом, а также молибденом, ванадием и т.д. Вольфрам влияет следующим образом: на феррит - повышает прочность и твердость, снижает пластичность и коэрцитивную силу; на аустенит - повышает точки А1 иА3, понижает А4, сдвигает точку S влево, Сужает γ-область, препятствует росту зерна, увеличивает прокаливаемость при повышенной температуре закалки, обеспечивающей хорошее растворение карбидов, уменьшает критическую скорость закалки, незначительно увеличивает количество остаточного аустенита; в целом - повышает температуру плавления, повышает красноломкость, устраняет хрупкость при отпуске, сплавы с содержанием от 6 до 32% W способны к дисперсионному твердению, повышает крипоустойчивость стали. Вольфрам выступает основным элементов в твердых сплавах. Таким образом быстрорежущие марки стали сохраняют высокую твердость, износостойкость и сопротивление пластической деформации вплоть до высоких температур 500-600 °C, что позволяет повышать скорость резания в несколько раз по сравнению с обычными инструментальными сталями и обрабатывать стали, которые затруднительно или невозможно резать из-за повышенной твердости.

Сталь специального назначения - несмотря на то, что существует множество групп сталей предназначенных для конкретных задач, можно выделить несколько групп сталей которые больше не используются для других целей:

• Рельсовая сталь - основной легирующий элемент таких марок стали - марганец Mn. В целом Mn влияет стали следующим образом: на феррит - сильно повышает прочность, твердость, удельное электросопротивление и коэрцитивную силу; на аустенит - Понижает точки А₁ и А₃, понижает А₄, сдвигает точку S влево, расширяет γ-область, увеличивает склонность к росту зерна, сильно увеличивает прокаливаемость, уменьшает критическую скорость закалки, сильно понижает мартенситную точку М_н и резко увеличивает количество остаточного аустенита; в целом - уменьшает красноломкость стали при повышенном содержании серы, повышает прочность, упругие свойства и износоустойчивость, снижает ударную вязкость, увеличивает склонность к отпускной хрупкости. Снижает пластичность, ударную вязкость, магнитную индукцию и магнитную проницаемость. Также марки стали содержат кремний, и микролегирующие добавки ванадий, титан и цирконий. Особенность рельсового проката в том, что он обязательно подвергается термической обработке, которая придает эксплуатируемой поверхности рельсов высокую твердость, сопротивление износу и вязкость.

• Сталь судостроительная - марки стали для судостроения должны соответствовать механическим требованиям (в зависимости от марки и толщины): временное сопротивление разрыву σ_в=400-500 МПа, предел текучести σ_0,2=200-400 МПа, относительное удлинение δ₅>20%, ударная вязкость KCU=19-40 кДж / м 2 .

Жаропрочные марки стали - обычно, каждая такая марка стали сильно легирована тугоплавкими металлами - вольфрамом, молибденом. Несмотря на высокую стоимость применение таких сталей дает большой экономический эффект, поскольку позволяет заменить ими специальные тугоплавкие сплавы стоимость которых намного выше, например сталь ХН38ВТ применяют в качестве заменителя никелевого сплава ХН78Т, который хоть формально и относится к сталям, но имеет железа всего 6%, а никеля 70-80% и соответственно стоит.

Сталь нержавеющая (коррозионно-стойкая) - можно выделить обычные марки, коррозионно-стойкие в обычных условиях и высоколегированные жаропрочные предназначенные для специальных условий. Основная масса нержавеющих марок стали легируется хромом. Хром воздействует следующим образом: на феррит - повышает прочность, твердость, коэрцитивную силу, снижает ударную вязкость, магнитную индукцию и проницаемость; на аустенит - повышает точку А₁ и понижает А₃ и А₄. Сдвигает точку S влево, Сужает γ-область, уменьшает склонность зерна к росту, сильно увеличивает прокаливаемость, дает две зоны наименьшей устойчивости аустенита при 700-500 и 400-250 °С, уменьшает критическую скорость закалки, понижает мартенситную точку М_н, увеличивает количество остаточного аустенита; в целом - сильно повышает устойчивость против коррозии и окисления, сильно увеличивает износоустойчивость, увеличивает крипоустойчивость и в особенности жаростойкость. Также в нержавейку добавляются никель, титан, марганец, молибден.

Сталь прецезионная - к этим маркам стали относятся сплавы с четко заданными свойствами: температурным коэффициентом линейного расширения, магнитными свойствами, упругостью в сочетании с другими качествами, а также можно выделить сплавы с заданным высоким электрическим сопротивлением.

Электротехнические марки стали - можно выделить две основные подгруппы сталей: анизотропные и изотропные, первые представлены в основном сернистыми сталями с содержанием кремния до 4%, которые предназначены для использования в магнитопроводах трансформаторов и машин, где магнитное поле распространяется вдоль листа стали. Вторая подгруппа сталей имеет меньшее содержание кремния и слабое легирование другими металлами и используется для магнитопроводов, в которые магнитное поле находится под различными углами к листам стали, т.е. в двигателях, генераторах и т.д. Основным элементом, который влияет на магнитные свойства стали является кремний Si, он влияет на сталь следующим образом: на феррит - сильно повышает прочность, твердость, удельное электросопротивление, повышает магнитную проницаемость резко при содержании выше 4,5%, снижает пластичность, ударную вязкость, коэрцитивную силу, магнитную индукцию; на аустенит - повышает точки А1 и А3, понижает А4, сдвигает точку S влево, сужает γ-область, незначительно влияет на уменьшение склонности роста зерна аустенита, сильно увеличивает прокаливаемость, уменьшает критическую скорость закалки, не изменяет положения мартенситной точки, немного увеличивает количество остаточного аустенита; и в целом активно раскисляет сталь, сильно влияет на магнитные и электрические свойства стали, повышает прочность и упругие свойства стали, снижая пластичность и ударную вязкость, увеличивает жаростойкость стали.

Команда портала постоянно дополняет марочник новой информацией и если Вы считаете, что нехватает какой-то информации или присутствуют неточности, сообщите нам и мы внесем изменения.

Краткие обозначения:
σ_в	- временное сопротивление разрыву (предел прочности при растяжении), МПа	ε	- относительная осадка при появлении первой трещины, %
σ_0,05	- предел упругости, МПа	J_к	- предел прочности при кручении, максимальное касательное напряжение, МПа
σ_0,2	- предел текучести условный, МПа	σ_изг	- предел прочности при изгибе, МПа
δ₅,δ₄,δ₁₀	- относительное удлинение после разрыва, %	σ_-1	- предел выносливости при испытании на изгиб с симметричным циклом нагружения, МПа
σ_сж0,05 и σ_сж	- предел текучести при сжатии, МПа	J_-1	- предел выносливости при испытание на кручение с симметричным циклом нагружения, МПа
ν	- относительный сдвиг, %	n	- количество циклов нагружения
s _в	- предел кратковременной прочности, МПа	R и ρ	- удельное электросопротивление, Ом·м
ψ	- относительное сужение, %	E	- модуль упругости нормальный, ГПа
KCU и KCV	- ударная вязкость, определенная на образце с концентраторами соответственно вида U и V, Дж/см 2	T	- температура, при которой получены свойства, Град
s _T	- предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации), МПа	l и λ	- коэффициент теплопроводности (теплоемкость материала), Вт/(м·°С)
HB	- твердость по Бринеллю	C	- удельная теплоемкость материала (диапазон 20 o - T ), [Дж/(кг·град)]
HV	- твердость по Виккерсу	p_n и r	- плотность кг/м 3
HRC_э	- твердость по Роквеллу, шкала С	а	- коэффициент температурного (линейного) расширения (диапазон 20 o - T ), 1/°С
HRB	- твердость по Роквеллу, шкала В	σ t _Т	- предел длительной прочности, МПа
HSD	- твердость по Шору	G	- модуль упругости при сдвиге кручением, ГПа

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Интересные факты

По мнению профессора Мариенбаха, свое название чугун получил от китайского слова – «чжугун», что в переводе означает «литейщик».

Чугунная посуда издавна используется по всему миру и очень удобна для приготовления различных видов пищи.

Неотъемлемым атрибутом русских народных сказок является печь, в которой в чугунке – сосуде определенной формы и отлитой из данного сплава, герои варили главное блюдо – картошку в мундире.

Самые лучшие блины получаются на чугунной сковородке.

До появления электрических утюгов, хозяйки использовали тяжелые чугунные утюги, с идеально гладкой подошвой нагревая её до красна, над источником огня.

Следующим этапом, были угольные чугунные утюги по своей конструкции напоминающие маленькие печки. Для их разогрева внутрь помещали березовый уголь. Такой утюг даже имел трубу для получения необходимой тяги.

Известные нам с детства канализационные люки для смотровых колодцев имели круглую форму, отливались из чугуна и были впервые изготовлены сто пятьдесят лет назад.

Производство чугуна во всем мире в 2015 году составило более 898 млн. тонн, что на 3% меньше чем в 2008 году.

Области использования

Применение различных марок чугуна зависит от металлургического компаунда и его эксплуатационных характеристик.

Белый вид используется в производстве нагревательных элементов и бытовой сантехники (ванн, раковин), а также является сырьем для получения ковких разновидностей твердых растворов.

Серый — входит в состав различных элементов двигателей для машиностроительной отрасли.

Ковкий – при изготовлении тормозных колодок и деталей для промышленного измельчительного оборудования. Кроме того, он имеет широкое применение в текстильной промышленности при отливке запасных частей сложной формы для оборудования. Применяется КЧ при изготовлении кухонной посуды, элементов интерьера, уличных фонарей, перил для лестниц.

Высокопрочный сорт применяется при производстве труб, фитингов для водоснабжения, канализации, нефтедобывающего производства. Кроме того, из него делают секционные радиаторы, эксплуатируемые в системах центрального отопления жилых домов и административных зданий.

Из ферромагнитного типа изготавливают электрощиты и другие составляющие электротехнического оборудования, а немагнитный его тип наоборот используется в качестве электроизолирующего материала.

В огромном количестве чугун используется как сырье на сталелитейных предприятиях.

Прочие показатели

Что касается разделения чугунов по прочности, то здесь применяется следующая классификация:

Обычная прочность: σв до 20 кг/мм2.
Повышенная прочность: σв = 20 — 38 кг/мм2.
Высокая прочность: σв = 40 кг/мм2 и выше.

По пластичности чугуны разделяются на:

Непластичные – относительное удлинение менее 1%.
Малопластичные – от 1% до 5%.
Пластичные – от 5% до 10%.
Повышенной пластичности – более 10%.

В заключение также хотелось бы обязательно отметить, что на свойства любого чугуна довольно существенное влияние оказывает даже форма и характер заливки.

История

Технология изготовления чугуна пришла к нам из Китая, где «ходили» чугунные деньги еще в 10 веке нашей эры. Потомки монголов уже в 13 веке готовили котлы из этого сплава. На полях сражений в Столетней войне впервые применялись артиллерийские орудия и боеприпасы, отлитые из данного твердого раствора. В России его широкое применение в изготовлении оружия было налажено в 16 веке после появления доменной печи. В связи с этим, в 1701 году был построен Уральский чугунолитейный завод, который стал началом народного промысла, получившего название «Каслинское литье».

Начиная с 18 века Великобритания занимает пальму первенства по производству чугуна в мире. Благодаря новой технологии Уилкинсона, к середине 19 века в этой стране производилось половина всего мирового объема.

Технология изготовления не стояла на месте, что позволило Соединенным Штатам в конце 19 века вырваться вперед.

В то время из этого сплава начали изготавливать рельсы, водопроводные и канализационные трубы, камины, и такие сложные инженерно-строительные сооружения, как мосты.

Виды чугуна, классификация, состав, свойства, маркировка и применение

Чугуном называется смесь 2,14 % углерода с железом, полученная при термическом нагревании в доменных печах до 1200 градусов Цельсия. С помощью шестого элемента таблицы Менделеева железо в форме сплава приобретает увеличенную твердость, теряя пластичность и ковкость, делая данный материал хрупким.

Помимо углерода, для получения особых параметров, в металлическую матрицу, добавляются такие элементы, как Si, Mg, P, S. Также широко применяются легирующие агенты – Cr, V, Ni, Al.

Что такое чугун

Это сплав железа и углерода с содержанием последнего от 2,14%. В идеальном случае. На деле помимо указанных всегда есть примеси и легирующие элементы. Так что разграничение «плавает».

В зависимости от содержания углерода относительно эвтектики выделяют разновидности металла. Эвтектика – состав сплава с минимальной температурой плавления.

Для чугуна содержание углерода ориентировочно составляет 4,3%. Почему «ориентировочно» – уже говорилось. Потому принято подразделять чугун на:

доэвтектический — 2,14 — 4,3% углерода;

эвтектический — 4,3% углерода;

заэвтектический — от 4,3 до 6,67% углерода.

Виды чугуна

В общепринятой классификации разделяют по форме содержащегося углерода.

Белый

Называется так из-за характерного окраса скола. Углерод C содержится в виде цементита (формула Fe₃C), образующегося при остывании расплава. Твердый тугоплавкий материал.

В доэвтектических сплавах – в составе перлита и ледебурита. В эвтектических – в ледебурите. В заэвтектических – первичный цементит и ледебурит.

В исходном виде такой чугун практически не используется. Не поддается обработке инструментом из «быстрорежущей» стали. Только с насадками из карбидов (ВК), да и то с трудом.

Применяется в качестве сырья для получения ковкого.

Серый

Также именуется по оттенку на сколе. Содержит фракции графита различной формы. Осаждению углерода способствует добавка кремния.

Свойства и структура сильно зависят от условий остывания после кристаллизации.

Быстрое охлаждение даст преобладание перлита. Сплава феррита и карбида. Своеобразная «закалка» повысит прочность и твердость. И хрупкость, что не всегда приемлемо.

Щадящее остывание определяет рост содержания феррита. Сплава железа с оксидами, в основном с Fe₂O₃. Улучшится пластичность. Поэтому режимы подбирают исходя из требуемых параметров.

Серый чугун удобен для литых конструкций. Отличается невысокой температурой отвердения, хорошей жидкотекучестью. Не склонен к образованию раковин.

При всем этом, углеродные вкрапления обуславливают низкую трещиностойкость. Материал уверенно воспринимает сжимающие усилия, но совершенно непригоден при растяжении/изгибе.

В маркировке указываются символы СЧ и предельная прочность в кг/мм 2 : СЧ25. Наиболее распространены чугуны с содержанием C ниже 3,7%.

Ковкий

Для изготовления белый чугун нагревают до нужной температуры, выдерживают достаточное время и медленно остужают («отжиг»). Процесс провоцирует процесс распада Fe₃C с выделением графита и появление феррита.

По форме включения углерода не похожи на аналогичные в сером чугуне. Этим объясняется появление некоторой стойкости к разрыву и ударной вязкости.

Маркируется «КЧ» с добавлением допустимой прочности на растяжение в МПа х 10 -1 и максимального относительного удлинения. Пример: КЧ 35-11.

Высокопрочный

Вид серого чугуна, только графитовые образования по форме напоминают шарики. Округлость включений делает кристаллическую решетку не склонной к образованию трещин.

В результате ценные изначально свойства чугунов (стойкость к сжатию, удобство литья и т. д.) дополняются сравнимым со сталями пределом текучести при растяжении, появляется трещиностойкость, пластичность.

Маркируются аналогично ковким, но с обозначением «ВЧ».

Передельный

Используется как сырье для выплавки стали. Часто даже не покидает предприятия, где сделан.

Специальные

Выпуск таких марок невелик, до 2% от общего объема. Могут содержать значительное количество легирующих элементов. Предназначены для ограниченных целей и специфических условий. Распространены коррозионно и химически стойкие ферросплавы.

Одна из разновидностей – антифрикционный чугун. Используется для изготовления трущихся деталей. Легируется в первую очередь хромом. Также добавляются никель, титан, медь и прочие.

Отличается высокой твердостью (до HB 300) и низким коэффициентом трения (до 0,8 при отсутствии смазывающих эмульсий).

Базовые материалы: серый, ковкий и высокопрочный чугуны. Маркировки соответственно – АЧС, АЧК, АЧВ. Цифровые составляющие описаны выше.

Получение стали

Порядка 85% чугуна уходит на дальнейшее изготовление стали. Для выплавки используется мартеновская печь.

В процессе плавления загруженного сырья образуется значительная масса оксида FeO. По мере разогрева происходит реакция:

Лишний углерод удаляется.

Также используются электродуговые и индукционные печи.

Состав серого чугуна и его структура

Параметры и свойства сплава напрямую зависят от режима охлаждения, дело в том, что именно во время охлаждения формируется структура материала.

В процессе медленного охлаждения происходит образование немалых кристаллов железа, а сочетание металла и углерода становится перлитным. В ходе такого охлаждения происходит не только увеличение размера кристаллов металла, но и углеродных включений. Такое сочетание приводит к тому, что перлитный материал имеет не только высокую прочность, но и повышенную хрупкость.

Оценка структуры СЧ определяет:

размеры включений графита, измеряя в микрометрах (МКМ), их распределение, количество (в %), вид структуры металлической основы и при наличии перлита — его дисперсность.

По строению металлической основы серые чугуны делят на:

перлитные — в составе структуры перлит и графит;
ферритно-перлитные — феррит, перлит и графит;
ферритные — структура состоит из феррита и графита.

Какая основа будет зависит от скорости охлаждения после затвердевания.

Для обозначения частей микроструктуры чугун этого типа используют терминологию определенную в ГОСТ 3443-87, например, пластинчатый графит обозначают буквами ПГ. Углерод включен в материал в следующих формах.

пластинчатая прямолинейная, ее обозначают ПГФ1;
пластинчатая завихреная — ПГФ2;
игольчатая — ПГФ3;
гнездообразная -ПГФ4.

Первоочередную значимость для приобретения требуемых параметров чугунной отливки имеет его структура, именно поэтому при выполнении заготовок требуется тщательное выполнение технологии плавления и заливания сырья. Для обретения требуемых параметров серого чугуна и устранения дефектов применяют операцию модификации.

В составе СЧ, в зависимости от его марки, могут входить следующие вещества:

Основа — Fe (железо), остальное:

C (углерод) — 2,9-3,7%;
Si (кремний) -1,2-2,6%;
Mn (марганец) — 0,5-1,1;
P (фосфор) не больше 0,2-0,3%;
S (сера) не больше 0,12-0,15%.

Допустимо легирование серого чугуна с использованием таких веществ как Cr, Ni, Cu, и некоторыми другими элементами.

Кремний в составе увеличивает графитизацию углерода. Марганец несмотря на то что затрудняет графитизацию, улучшает его механические свойства.

Основные виды чугунов и их классификация

Чугуном принято называть железоуглеродистые сплавы, содержащие углерод при нормальных условиях кристаллизации выше предела растворимости в аустените и эвтектику в структуре. В соответствии с диаграммой состояния железоуглеродистых сплавов чугуном являются сплавы, содержащие углерода более 2%. Эвтектика в структуре этих сплавов в зависимости от условий ее образования может быть карбидной или графитной.

Приведенное определение, лежащее в основе классификации обычных железоуглеродистых сплавов, не всегда является достаточным.

В самом деле, карбидная эвтектика имеется не только в чугунах, но и в высоколегированных сталях, содержащих мало углерода (менее 2%), например в быстрорежущих сталях. Сложным является вопрос и с графитной эвтектикой, поскольку вторичный и эвтектоидный графит не выделяются отдельно. По одной только структуре бывает трудно правильно отличить графитизированный чугун от графитизированной стали. Поэтому часто приходится прибегать к дополнительным определениям. В частности, характерной особенностью чугуна являются лучшие литейные и худшие пластические свойства по сравнению, со сталью, что является следствием высокого содержания углерода (значительно большего предела растворимости в аустените). Общепринятые границы между чугуном и сталью при содержании углерода в 2% и более носят условный характер независимо от степени легирования и характера структуры.

Структура чугуна остается важнейшим классификационным признаком, так как она определяет его основные свойства. Структура графитизированных чугунов состоит из металлической основы, пронизанной графитными включениями. Последние очень благоприятно влияют на износостойкость и циклическую вязкость чугуна.

К важнейшим классификационным признакам относятся также механические свойства (а для чугунов специального назначения и специальные свойства), состав отливок, технология производства, конструкция отливок и области их применения.

Прочностные свойства чугуна определяются характером металлической основы и степенью ослабления этой основы графитными включениями. К последним относятся прежде всего количество, форма и характер распределения графитных включений.

2. КЛАССИФИКАЦИЯ ПО ХИМИЧЕСКОМУ СОСТАВУ

В чугунах, кроме железа и углерода, содержится (в качестве обычно определяемых постоянных примесей) кремний, марганец, фосфор и сера. Чугуны содержат также незначительные количества кислорода, водорода и азота.

По химическому составу чугуны делятся на нелегированные и легированные.

Нелегированными считаются чугуны, в которых количество марганца не превосходит 2% и кремния 4%. При наличии этих элементов в больших количествах или при содержании специальных примесей чугуны считаются легированными. Принято считать, что в малолегированных чугунах количество специальных примесей (Ni, Сr, Сu и т. п.) не превосходит 3%.

При малом и умеренном легировании стремятся улучшить общие свойства чугуна —однородность структуры, сохранение прочности и упругости при нагреве до относительно невысоких температур — 300—400°, повышение износостойкости, повышение прочности и т.д.

При среднем, повышенном и высоком легировании чугун приобретает специальные свойства, так как значительно меняется состав твердых растворов и карбидов. В этом случае наибольшее значение приобретает изменение характера металлической основы. Путем легирования можно получить непосредственно в литом состоянии мартенсит, игольчатый троостит и аустенит. Это повышает коррозионностойкость, жаростойкость и меняет магнитные свойства.

3. КЛАССИФИКАЦИЯ ПО СТРУКТУРЕ И УСЛОВИЯМ ОБРАЗОВАНИЯ ГРАФИТА

По степени графитизации, формам графита и условиям их образования различают следующие типы чугунов:

Свойства

Физические (к ним относятся усадка, удельный вес, коэффициент линейного расширения).
Тепловые (1 кал/см3*оС или 1,5 кал/см3*оС).
Механические (имеют прямую зависимость от формы, размеров и основы графита, входящего в состав – это пластичность и прочность).
Химические (расположение элементов по электродному потенциалу).
Гидродинамические (зависят от количества марганца и серы в сплаве).
Технологические (отвечают за стойкость к вибрации).

Процесс производства чугуна

Получение чугуна проводят в доменных печах. Этот процесс является достаточно энергоёмким и затратным производством. В качестве сырья используют 4 основных группы руд:

Гематитовый железняк, состоящий из ангидридного оксида железа, держит 70% (Fe) и 30% (O);
Магнетитовый железняк, содержит 72,4% (Fe), и 27,6% (O);
Бурый железняк, содержит 59,8% элементарного железа;
Сидеритовый железняк, содержит 48,3% (Fe).

Технологический процесс проходит в несколько этапов

Сначала, в процессе подготовки, измельчают железную руду с содержанием оксидов железа (FeO и Fe2O3) не менее 40% от общей массы. Затем путем дробления, грохочения, усреднения, промывки, обогащения и обжига, избавляются от неметаллических примесей – S, P, As, и поднимают массовую долю основного металла в руде.

По окончанию, подготовительного этапа, загружают все компоненты в печь.

Доменная печь представляет собой непрерывно действующее металлургическое оборудование в виде шахты, массой 30 тысяч тонн. Доменная печь состоит из 5 элементов: верхней части в форме цилиндра – колошника, широкой конической части – шахты, широкой части – распары, зауженной части – заплечиков и нижней части – горна. Загрузка всех компонентов производится сверху через колошник, а готовый продукт и шлак раздельно выходят снизу из горна.

Одновременно с рудой в домну помещают коксующиеся угли, выполняющие функцию топлива. В процессе термического разложения углей образуются соединения углерода, участвующие в качестве восстановительного агента. Для ускорения процесса высвобождения металла из руды добавляется флюсы. Обычно это горные породы, содержащий оксиды кальция и магния.

После окончания этапа загрузки начинается процесс выплавки, когда загруженные компоненты превращаются в сплав, шлак и газ. Физико-химические реакции, протекающие при этом можно охарактеризовать как восстановительно-окислительные, так как происходит восстановление окислов железа и окисление восстановительного агента.

Процессы протекающие в печи

Процессы, протекающие в доменной печи можно описать следующими химическими уравнениями:

При нагревании кокса происходит выделение элементарного углерода, который с кислородом образует углекислый газ.

С + О2 = СО2 + выделение энергии

CO2 при нагревании дальше окисляется до оксида углерода, и восстанавливает элементарное железо из его оксидов в руде.

Fe2O3 + 3 CO = 2Fe + 3 CO2

После реакции восстановления, металл насыщается углеродом, а при достижении 1150-1200°С стекает уже в форме металлического компаунда в горн. Из остатков пустой руды и флюсов образуют отход — шлак, который непрерывно удаляется.

Области применения

В связи с современной тенденцией максимального облегчения оборудования, чугун используют все меньше.

Но есть области, где он пока незаменим и рентабелен:

В машиностроении применяется для крупных корпусных деталей с незначительными нагрузками на растяжение. Станины для станкового оборудования, блоки цилиндров для двигателей внутреннего сгорания. Маховики, шкивы, шестерни, гидроцилиндры, корпуса редукторов, электродвигателей, поршни.

Параметры чугуна

Плотность — 7,2 г/см3. Температура плавления составляет 1200 °С. Хрупкость и малая пластичность сплава обусловлена следующими факторами:

Увеличение длины связи, между атомами Fe, из-за повышенного содержания углерода;
Неполное внедрение атомов углерода в структуру матрицы железа в связи с низкой, по сравнению со сталью, температурой плавления.

Именно по этим причинам, данный твердый металлический раствор нашел широкое применение в производстве деталей, обладающих высокой прочностью. Однако, он не подходит для продукции, подвергающейся нагрузкам, значения которых быстро изменяются во времени.

Читайте также: