Чугун состав сплава: Что такое чугун – формула, состав, виды и преимущества

alexxlab | 24.03.1972 | 0 | Разное

Что такое чугун – формула, состав, виды и преимущества

Что такое чугун

Чугун  — это сплав железа (Fe) и углерода (C), при этом содержание углерода в сплаве составляет 2,14% и выше. Но при выплавке чугуна, в сплав всегда попадают примеси, а также добавляются легирующие элементы, поэтому данное соотношение всегда относительно, и может изменяться.

По содержанию углерода относительно эвтектики различают три вида чугуна. Эвтектика – состав сплава с минимальной температурой плавления.

Содержание углерода в чугуне ориентировочно составляет 4,3%. Поэтому он подразделяется на следующие виды:

• доэвтектический — 2,14 — 4,3% углерода;
• эвтектический — 4,3% углерода;
• заэвтектический — от 4,3 до 6,67% углерода.

 

Формула чугуна

Типичный состав чугуна имеет следующие составляющие:

• Железо (Fe)  — основа чугунка
• Углерод (С) – 1 — 4,5%
• Кремний (Si) – 0,2 – 3,75%

 

• Марганец (Mn) – 0,2 – 1,75% (вредная примесь)
• Фосфор (Р) – 0,1 – 1,2% (вредная примесь)
• Сера (S) – 0,02 – 0,08% (вредная примесь)

 

• Хром (Cr) (легирующий компонент)
• Никель (Ni) (легирующий компонент)
• Молибден (Mo) (легирующий компонент)

 

Виды чугуна

В основном чугун классифицируют по форме углерода, который содержится в сплаве.

Белый чугун

Белый чугун имеет характерный окрас скола, так как углерод (С) входит в состав в виде цементита (Fe3C), который образуется когда расплав остывает. Цементит – это твердый тугоплавкий материал.

В доэвтектическом сплаве углерод содержится в перлите и ледебурите. В эвтектическом сплавеуглерод входит в состав ледебурита. В заэвтектическом он содержится в первичном цементите и ледебурите.

В первоначальном виде он нигде не используется, т.к. его тяжело обрабатывать инструментами при механической обработке. Конечно, возможно использовать насадки из карбидов (ВК), но трудоемкость процесса очень велика. Поэтому белый чугун используется в качестве сырья для получения ковкого чугуна.

Серый чугун

Серый чугун также берет свое названия от оттенка на сколе. Он имеет в составе фракции графита, которые могут иметь разную форму. При добавке кремния, он способствует осаждению углерода.

Физико-механические свойства, а также структура серого чугуна, зависят от условий остывания после кристаллизации.

Быстрое охлаждение приведет к преобладанию перлита в составе чугуна. Закалка (другими словами термообработка) может повысить прочность и твердость, но при этом чугун становится хрупким, что может быть не приемлемо.

Медленное остывание приводит к росту содержания феррита. Феррит – это сплав железа с оксидами, в основном с Fe2O3. При таких условиях улучшается пластичность.

Поэтому условия, при которых остывает сплав, выбирают, ориентируясь на желаемые параметры конечного продукта.

Серый чугун используется для литых изделий и конструкций (чугунного литья).

Он имеет невысокую температуру отвердения, хорошую жидкотекучесть, нет склоненности к образованию раковин. Серый чугун хорошо реагирует на сжатие, но плохо противостоит растяжению/изгибу. Это происходит из-за углеродных вкраплений, которые приводят к низкой трещиностойкости.

Маркировка серого чугуна состоит из символов СЧ (серый чугун) и цифры, которая обозначает предельную прочность в кг/мм2: например, СЧ35. В наиболее распространенных чугунах содержание углерода ниже 3,7%.

Ковкий чугун

Для производства ковкого чугуна, белый чугун нагревают до необходимой температуры, выдерживают определенное время, и потом медленно охлаждают (процесс называется «отжигом»). Это способствует процессу распада Fe3C и выделению графита с образованием феррита.

При этом включения углерода по не имеют схожести с аналогичными в сером чугуне. Поэтому стойкость к разрыву и ударная вязкость из-за этих различий характерна ковкому чугуну.

Маркировка ковкого чугуна состоит из букв «КЧ» и добавления цифр, которые указывают на допустимую прочность на растяжение в МПа х 10-1 и максимальное относительное удлинение. Например: КЧ 37-12.

Высокопрочный чугун

Высокопрочный чугун это вид серого чугуна, в котором графитовые образования имеют шаровидную форму. Из-за такой округлости включений кристаллическая решетка становится не склонна к образованию трещин.

Высокопрочные чугуны имеют ценные первичные свойства чугунов (стойкость к сжатию, жидкотекучесть и т. д.), при этом имеют характерные для сталей предел текучести при растяжении, трещиностойкость и пластичность.

Маркируется аналогично ковкому, но с буквами «ВЧ».

Передельный чугун

Передельный чугун используется как сырье для выплавки стали. При этом он может даже не покидать предприятие, где его произвели.

Специальный чугун

К таким видам чугуна относят антифрикционный чугун и легированный чугун.

Выпуск этих марок имеет не большой объем, примерно до 2% от всего впускаемого чугуна. Такие виды чугуна могут иметь в составе большое количество легирующих элементов. Сфера использования имеет ограниченные цели и специфические условия.

Антифрикционный чугун может использоваться для изготовления деталей, подвергающихся трению. Основным компонентом для легирования является хром, также могут использоваться никель, титан, медь и другие металлы. Он имеет высокую твердость (до HB 300) и низкий коэффициент трения (до 0,8 при отсутствии смазки).

Базовыми материалами для производства антифрикционного чугуна являются серый, ковкий и высокопрочный чугуны. Маркируется соответственно – АЧС, АЧК, АЧВ.

Достоинства и недостатки чугуна

Характеристики чугуна обсуждаются по сравнению со сталью, хотя, например, низкокачественная углеродистая сталь – это по сути тот же чугун.

По некоторым показателям (плотность, магнитные свойства, химическая реакция) эти ферросплавы практически идентичны, но имеют большие отличия в сферах применения.

Преимущества чугуна:

1. Низкая стоимость. Углерод появляется как часть процесса выплавки из руды. Поэтому если снижать его содержание, это приведет к удорожанию сплава.
2. Превосходные литейные качества. Расплав чугуна имеет хорошую текучесть, низкую усадку при кристаллизации и относительно низкую температуру плавления.
3. Изделия из чугуна имеют хорошую прочность, твердую поверхность, износостойкость.
4. Чугун, который используется в машиностроении, хорошо поддается обработке резанием.
5. Долговечность. Даже при применении в сантехнических и канализационных деталях.
6. Простота утилизации.

Недостатки чугуна:

1. Хрупкость. Мало пригоден для обработки давлением, из-за содержания углерода.
2. Плохая свариваемость. Технология сварки чугуна довольно сложна, большой риск возникновения дефектов.
3. Массивность изделий. Сложно изготавливать тонкостенные конструкции, стенки которых могут не выдержать собственного веса.
4. Окисляемость. Легко ржавеет во влажной среде, поэтому детали, которые используются на открытом воздухе, необходимо защищать от коррозии специальными средствами.

виды чугунных сплавов, составляющие компоненты и плотность, методы сварки

Для изготовления конструкций используются различные сплавы. Одним из наиболее распространённых материалов является чугун. Многим он знаком по радиаторам отопления, а также ваннам, которые изготавливаются преимущественно из него. Чугун представляет собой сплав, в котором большая часть его состава приходится на углерод и железо.

Составляющие компоненты чугуна

Содержание железа и углерода составляет 2,1%. Кроме них, этот сплав содержит кремний около 3%, а также марганец около 1%. Помимо перечисленных элементов, в состав этого сплава входит также сера и фосфор.

При его производстве в состав вносятся легирующие добавки в виде:

• никеля;
• хрома;
• алюминия.

Если легирующие добавки в составе чугунного сплава отсутствуют, а процесс термообработки он не прошёл, то это приводит к снижению таких его качеств, как:

1. Прочность.
2. Твёрдость.
3. Пластичность.

Виды чугуна

Как было сказано выше, одним из основных компонентов этого сплава является углерод. В этом материале он присутствует в виде цементита и графита.

В зависимости от количества содержащегося в чугуне цементита и формы присутствующего в нём графита, чугунные сплавы могут различаться на следующие виды:

• Белые.
• Серые.
• Ковкие.
• Половинчатые.
• Высокопрочные.

Белый чугун — под ним принято понимать сплав, в котором содержащийся углерод представлен в форме цементита. На изломе этот сплав имеет светлый оттенок. Характерной особенностью белого чугуна являются высокие показатели твёрдости.

Поэтому при его использовании обработке режущим инструментом его не подвергают. Обычно белый чугун используют для производства различных видов ковки.

Серый чугун — в его составе углерод представлен в виде графита. На излом это сплав имеет серый оттенок. До этой разновидности чугунного сплава характерны высокие литейные свойства. Этот материал можно подвергать различным видам металлической обработки.

Ковкий чугун — его производят из белого сплава с обязательной термической обработкой. Получаемый материал используется главным образом для изготовления чугунных изделий, используемых в конструкции автомобилей и тракторов.

Углерод присутствует в составе половинчатого чугуна. В нём он представлен в форме графита и цементита. Используют его главным образом в качестве фрикционного материала при изготовлении деталей, от которых требуются высокие показатели износоустойчивости.

Высокопрочный чугун — этот сплав содержит шаровидный графит. Его образование происходит в процессе кристаллизации. Материал высокой плотности применяется для изготовления важных деталей, используемых в машиностроении. Также из него изготавливают элементы высокопрочных труб водопровода, а также составные части газо — и нефтепроводов.

Способность чугуна к свариванию

В технологическом смысле способность чугуна к свариванию очень низкая. Это обусловлено множеством причин:

• Когда происходит быстрое охлаждение сварного шва, возникают отбелённые участки. Для них характерен высокий уровень твёрдости. Это негативным образом отражается на возможности обработки механическим способом.
• Если свариваемые материалы нагреваются или охлаждаются неравномерно, то на сварном шве возникают трещины, что связано с высокой хрупкостью чугунного сплава.
• Так как чугун является жидкотекучим сплавом, то сложной задачей является удержание от вытекания расплавленного металла. Это создаёт трудности для формирования сварного шва.
• При сварке металла в шве могут возникать поры, что обусловлено интенсивным выделением газов.
• Выполнение работ по свариванию чугунных изделий приводит к непроварам. Это обусловлено наличием тугоплавких оксидов, которые образуются в результате процессов окисления кремния и ряда других элементов, присутствующих в составе этого сплава.

Характеристики разновидностей чугуна

Основными компонентами этого сплава являются железо и углерод. Кроме них, чугун содержит разнообразные примеси, благодаря которым он приобретает определённые свойства. При производстве чугунного сплава доля углерода в нём не должна превышать 2,14%.

Если это условие не будет выполняться, то материал будет являться не чугуном, а сталью. Благодаря углероду он приобретает высокие показатели твёрдости, но при этом у него снижаются такие характеристики, как ковкость и пластичность.

Это объясняет то, что даже качественный чугун является хрупким материалом. При производстве отдельных марок чугуна в состав вводятся дополнительные присадки. Благодаря им чугун высокой плотности приобретает особые свойства.

Важной характеристикой этого металла является плотность. У него она находится на уровне 7,2 гр. на кубический сантиметр. Для производства деталей и изделий методом литья этот металл является подходящим материалом.

Детали и элементы, изготавливаемые из него, используются в различных отраслях промышленности. В плане плотности чугун лишь немного уступает некоторым маркам стали, которые по этой характеристике превосходят все сплавы железа.

Способы сварки чугунных изделий

Для выполнения сварки материала специалисты прибегают к использованию покрытых или угольных электродов. Кроме этого, применяется порошковая проволока, а также оборудование для газовой сварки.

Если рассматривать процесс сварки чугунных изделий высокой плотности с технологической точки зрения, то нужно выделить три основных направления:

1. Получение в составе материала качественного сварного шва.
2. Получение низкоуглеродистого сварного шва.
3. Получение шва, состоящего из сплавов цветных металлов.

При выполнении сварки чугунных изделий высокой плотности важной задачей является предотвращение возникновения закалённых участков. Во избежание этого выполняется предварительный прогрев деталей, которые будут сваривать. По степени прогрева выделяют следующие виды сварки:

• горячая — при таком режиме сварки предварительный прогрев изделий осуществляется до температуры 600–650 градусов Цельсия;
• полугорячая — подготовленное для сварки изделие высокой плотности подогревается до температуры 450 градусов Цельсия;
• холодная сварка — выполняется без предварительного подогрева.

К использованию первых двух режимов сварки чугуна высокой плотности следует прибегать в тех случаях, когда стоит задача получить сплав высокой плотности в материале сварного шва, который приближен к основному материалу.

Горячая сварка. Когда выполняется этот режим, то подготовленная для сварки холодная деталь прогревается до 650 градусов Цельсия. Это позволяет создать условия равномерного нагрева и медленного охлаждения деталей после завершения работ.

Полугорячая сварка. Когда соединение чугунных изделий производится методом полугорячей сварки, то для решения задачи повышения графитизации прибегают к использованию способа введения графитизирующих веществ. В их качестве выступают алюминий, титан или кремний. Они внедряются в область сварки, а сами детали прогреваются до температуры меньшей, чем при горячей сварке.

Холодный способ сварки чугуна

К такому режиму соединения чугунных изделий высокой плотности прибегают в случаях, если наличие чугуна не предусмотрено в составе сварного шва.

Он также используется в тех случаях, когда необходимо получить чугун высокой плотности в составе материала шва при условии использования во время сварочных работ графитизирующих веществ и допустимости возникновения незначительных дефектов.

Чугун — достаточно популярный материал, который широко применяется в промышленности для изготовления различных деталей, узлов и механизмов. Его отличает высокая прочность и плотность, чем и обусловлена его востребованность.

Сварка чугунных деталей – это актуальная проблема, которая требует серьёзного подхода. При соединении заготовок или конструкций необходимо правильно выбрать подходящий режим сварки в зависимости от свойств и качественных характеристик сварного шва, который требуется получить.

Оцените статью: Поделитесь с друзьями!

отличие от стали, температура плавления чугуна и стали

Чугун — это сплав железа с углеродом. По процентному содержанию железа содержится более 90%. Количество углерода колеблется в пределах 2,14- 6,67%. Благодаря этому элементу материал имеет высокую твердость, но появляется хрупкость. Это влечет ухудшение ковкости и пластичности. В некоторые виды для улучшения характеристики добавляются легирующие элементы: алюминий, хром, ванадий, никель.

Характеристика видов углеродистого металла

Диаграмма железо-углерод показывает, из чего состоит чугун. Кроме железа, присутствует углерод в виде графита и цементита.

Состав сплава чугуна имеет разновидности:

• Белый. Присутствующий здесь углерод находится в химически связанном состоянии. Металл прочный, но хрупкий, поэтому плохо поддается механической обработке. В промышленности используется в виде отливок. Свойство материала позволяют вести его обработку абразивным кругом. Сложность вызывает процесс сварки, поскольку есть вероятность появления трещин из-за неоднородности структуры. Применение нашел в областях, связанных с сухим трением. Обладает повышенной жаростойкостью и износостойкостью.
• Половинчатый. Обладает повышенной хрупкостью, поэтому не нашел широкого применения.
• Серый. ГОСТ 1412–85 указывает, какой процент примесей содержит в своем составе этот металл: 3,5% углерода, 0,8% марганца, 0,3% фосфора, 0,12% серы и до 2,5% кремния. Присутствующий в пластинчатой форме углерод создает низкую ударную вязкость. Характеристика вида указывает, что на сжатие материал работает лучше, чем на растяжение. При достаточном нагреве обладает неплохой свариваемостью.
• Ковкий. Ферритовая основа такого вида обеспечивает ему высокую пластичность. В изломе имеет черный, бархатистый цвет. Получается из белого, который томится длительное время при температуре 800−950 градусов.
• Высокопрочный. Отличие от других видов заключается в присутствии графита шаровидной формы. Получается из серого после добавления в него магния.

Индивидуальные свойства металла

Материал характеризуется определенными характеристиками. К ним относятся:

• Физические. Такие величины, как удельный вес или коэффициент расширения зависят от того, сколько составляет в металле содержание углерода. Материал тяжелый, поэтому из него можно делать чугунные ванны.
• Тепловые. Теплопроводность позволяет аккумулировать тепло и удерживать, распространяя его равномерно во все стороны. Это используется при изготовлении сковородок или батарей для отопления.
• Механические. Эти характеристики меняются в зависимости от графитовой основы. Наиболее прочный — серый чугун, имеющий перлитовую основу. Материал с ферритовой составляющей более ковкий.

В зависимости от наличия примесей появляется разница в свойствах материала.

К таким элементам относятся сера, фосфор, кремний, марганец:

• Сера уменьшает текучесть металла.
• Фосфор понижает прочность, но позволяет изготавливать изделия сложной формы.
• Кремний увеличивает текучесть материала, снижая его температуру плавления.
• Марганец дает прочность, но понижает текучесть.

Различия между чугуном и сталью

Чтобы понять, чем отличается сталь от чугуна, нужно рассмотреть их характеристики. Отличительной особенностью чугуна является количество углерода. Минимальное содержание его составляет 2,14%. Это основной показатель, по которому можно отличить этот материал от стали.

Содержание железа в стали составляет 45%, а процентное содержание углерода до 2. Для определения различий на глаз нужно обратить внимание на цвет. Сталь имеет светлый оттенок, а чугун темный.

Определить же процентное содержание примесей может только химический анализ. Если сравнивать температуру плавления чугуна и стали, то у чугуна она ниже и составляет 1150−1250 градусов. У стали — в районе 1500.

Чтобы отличить материал, нужно провести следующие действия:

• Изделие опускается в воду и определяется объем вытесненной воды. У чугуна плотность меньше. Она составляет 7,2г/см3. У стали — 7,7−7,9 г / см3 .
• К поверхности прикладывается магнит, который к стали притягивается лучше.
• При помощи шлифовальной машинки или напильника натирается стружка. Затем она собирается в бумагу и вытирается об нее. Сталь не оставит следов.

Плюсы и минусы материала

Как и любой материал, чугун имеет положительные и отрицательнее стороны. К положительным качествам относятся:

• большая разновидность состояний.
• некоторые виды обладают высокой прочностью;
• возможность длительное время сохранять температуру;
• экологическая чистота, что позволяет изготавливать из него посуду;
• стойкость к кислотно-щелочной среде;
• высокая гигиеничность;
• длительный срок эксплуатации и долговечность;
• безвредность материала.

Однако и минусы тоже присутствуют. К ним относятся:

• при длительном нахождении в воде поверхность покрывается ржавчиной;
• высокая стоимость материала;
• низкая пластичность серого вида чугуна;
• хрупкость.

Чугун — это металл, который характеризуется высоким содержанием углерода. Благодаря этому у него присутствуют качества, которые бывают необходимы для промышленных и бытовых целей.

Чем чугун отличается от стали: характеристики, свойства

Содержание

---

Оба материала относятся к группе черных металлов. Внешне их сложно различить, а некоторые свойства перекликаются между собой. Это объясняется тем, что и сталь, и чугун представляют собой углеродистые сплавы железа. Именно содержание Fe и C определяет их главное различие.

Характеристики стали

Сталь ‒ это сплав железа и углерода, соотношение которых составляет от 45% и до 2% соответственно. В зависимости от марки в состав могут входить никель, хром, кремний, марганец и прочие добавки. Вариативность легирующих компонентов обеспечивает материалу обилие свойств.

Углерод отвечает за твердость и прочностные характеристики сплава. Благодаря ему металл обладает высокой прочностью, пластичностью, легко поддается обработке.

Сталь различают:

• по наличию легирующих компонентов:

• низколегированную;
• среднелегированную;
• высоколегированную;

• по содержанию углерода:

• низкоуглеродистую;
• среднеуглеродистую;
• высокоуглеродистую.

Температура плавления всех марок находится в диапазоне от 1450 до 1520 °С. Плотность составляет 7700-7900 кг/м3.

Применяют сталь повсеместно: в промышленности при производстве различных металлоконструкций, деталей машин, трубопроводов и прочих изделий, в быту мы пользуемся стальными столовыми приборами, кухонной утварью, предметами интерьера, мебелью и т.д.

Характеристики чугуна

Железо и углерод также являются основой чугуна. Количество последнего составляет от 2%. Сырье также легируют различными добавками: фосфором, марганцем, кремнием и другими.

В зависимости от сформированной кристаллической решетки (цементит / графит) выделяют следующие типы чугуна:

• белый ‒ наличие цементита определяет цвет излома, благодаря которому материал получил название «белый», одновременно с твердостью обладает хрупкостью, путем отжига из него изготавливают ковкие чугуны;
• серый ‒ содержание графита в большом количестве определяет цвет сырья и его пластичность, легок в обработке, в состав входят кремний, магний, фосфор, сера;
• ковкий ‒ длительный отжиг белого чугуна образует графит, который придает металлу высокую пластичность, вязкость, твердость, ударную сопротивляемость;
• высокопрочный ‒ образование шаровидного графита в процессе кристаллизации обеспечивает материалу повышенную прочность;
• предельный ‒ подвергается дальнейшей обработке, не применяется, как самостоятельная единица.

Температура плавления чугуна составляет от 1160 до 1250 °С, зависит от содержания в нем углерода. Чем больше элемента в составе, тем меньше его температура и выше текучесть при нагревании. Такая зависимость определяет хрупкость материала.

Производство чугуна и стали

Чугун изготавливают в доменных печах из железной руды (агломерата), кокса, известняка и горячего воздуха. Сначала закладывают кокс, а затем послойно агломерат и кокс. В нижнюю часть печи через специальные отверстия подается горячий воздух, обогащенный кислородом.

Кокс, сгорая в домне, образует углекислый газ, который проходя через слои сырья, высвобождает оксид углерода. Таким образом руда постепенно претерпевает превращения. К ней добавляют известняк. Появляется силикат кальция, который отделяется в виде шлака. Окись углерода является главным восстановителем железа. Образование чугуна происходит за счет опускания Fe в более горячую часть домны и растворения в нем C.

Сталь производят из чугуна путем снижения количества углерода, серы, фосфора, марганца. Сплав получают в кислородных конвертерах, мартеновских печах и электропечах.

Как отличить чугун от стали

Определить, какое изделие перед вами находится, стальное или чугунное, можно тремя способами:

1. По излому (визуально) ‒ этот метод применим для деталей, которые идут в лом или в качестве заготовок. На чугунном сломе виден матовый темно-серый оттенок, образовавшиеся трещины имеют выраженную структуру. Стальное изделие ‒ более светлое, поверхность глянцевая.
2. Сверлением ‒ стальная стружка имеет витую форму, по длине она больше сверла, хорошо гнется. Чугунная стружка крошится при малейшем воздействии.
3. Шлифовкой ‒ при прохождении шлифовальной машиной стальной поверхности образуется множество продолговатых искр желтого и белого цвета. У чугуна искр меньше, они короче, красноватого оттенка.

Итоги кратко

• Сталь обладает большей прочностью за счет более низкого содержания углерода.
• Чугунные металлоизделия более хрупкие.
• Стальные изделия используют повсеместно: и в быту, и в производстве.
• Чугун является основой для производства стали.

Железоуглеродистые сплавы — сталь и чугун

Наиболее широкое применение в современном машиностроении имеют железоуглеродистые сплавы — сталь и чугун.

Сталь — это сплав железа с углеродом; содержание углерода в стали не превышает 2%.

К сталям относятся:

• техническое железо,

• конструкционная и

• инструментальная сталь.

Чугун — сплавы железа с углеродом, в которых содержание углерода превышает 2%. Среднее содержание углерода в чугуне 2,5—3,5%.

Кроме железа и углерода, в сталях и чугунах присутствуют примеси:

• кремний и марганец в десятых долях процента (0,15— 0,60%)

• сера и фосфор в сотых долях процента (0,05—0,03%) каждого элемента.

Сталь

Сталь с содержанием углерода до 0,7% применяется для изготовления:

• листов,

• ленты,

• проволоки,

• рельсов,

• таврового и уголкового железа,

• различного фасонного профиля,

• а также для многочисленных деталей в машиностроении: шестерни, оси, валы, шатуны, болты, молотки, кувалды и т.п.

Сталь с содержанием углерода свыше 0,7% применяется для изготовления различного режущего инструмента:

• резцы,

• сверла,

• метчики,

• бородки,

• зубила и др.

Свойства стали зависят от содержания углерода. Чем больше углерода, тем сталь прочнее и тверже.

Чугун

Машиностроительный чугунприменяют для производства отливок всевозможных деталей машин.

По составу и строению чугуны делятся на:

• белый,

• серый,

• ковкий.

Ковкий чугун

Ковкий чугун получается в результате специальной обработки белого чугуна. В белом чугуне весь углерод находится в химически связанном состоянии с железом (Fe₃C — цементит), что придает этому чугуну большую твердость и хрупкость и плохую обрабатываемость.

Белый чугун

В машиностроении белый чугун применяют для изготовления отливок, отжигаемых на так называемый ковкий чугун.

При отжиге цементит разлагается па железо и свободный углерод, и отливки приобретают невысокую твердость и хорошую обрабатываемость.

Серый чугун

Наиболее широкое применение в технике имеет серый чугун, в котором большая часть углерода находится в свободном состоянии, в виде графита. Этому способствует высокое содержание кремния.

Такой чугун обладает хорошими литейными качествами и применяется для производства чугунных отливок. Детали из этого чугуна получаются путем отливки в земляные или металлические формы (станины, шестерни, цилиндры, блоки и т.п.).

Благодаря наличию свободного углерода (графита) серый чугун имеет небольшую твердость и хорошо обрабатывается резанием.

§

Углеродистый чугун | Учебные материалы

Чугун — это сплав железа с углеродом, в котором содержание углерода больше 2,14 %.

Кроме углерода и железа, в сплаве присутствуют примеси: кремний, марганец, фосфор, сера и др. Эти примеси оказывают существенное влияние на формирование структуры сплава, а следовательно, и на механические, физические и другие свойства чугуна.

В зависимости от того, в какой форме присутствует углерод в сплавах, различают белые, серые, ковкие и высокопрочные чугуны. По химическому составу чугун делится на углеродистый и легированный.

Белыми называют чугуны в которых углерод находится преимущественно в связанном состоянии в виде цементита Fe3С (очень небольшое количество углерода находится в составе твердого раствора). Эти чугуны, фазовые превращения которых протекают согласно диаграмме Fe-С, подразделяются на доэвтектические, эвтектический и заэвтектические. Из-за большого количества цементита белые чугуны имеют высокую твердость 450…550 НВ, хрупкие и практически не поддаются обработке резанием, поэтому в качестве конструкционных материалов практически не применяются. Их можно применять для деталей, от которых требуется высокая износостойкость поверхности. Например, изготавливают шары шаровой мельницы для размола руды и минералов.

Белые чугуны являются передельными и из них получают сталь и ковкий чугун.

Серыми называют чугуны, в которых углерод находится преимущественно в свободном состоянии в виде пластинок графита. Графит образуется при очень малой скорости охлаждения, когда степень переохлаждения жидкой фазы невелика. Он растет из одного центра и, разветвляясь в разные стороны, приобретает форму сильно искривленных лепестков. В плоскости шлифа графит имеет вид прямолинейных или завихренных пластинок, которые представляют собой сечения графитных лепестков. В изломе эти чугуны имеют серый цвет. Механические свойства чугуна обусловлены его структурой, главным образом графитной составляющей, его количеством, формой и размерами включений.

Графит имеет низкую прочность, и его можно рассматривать как внутренние надрезы, нарушения сплошности металлической основы. С увеличением содержания углерода больше выделений графита и меньше механическая прочность чугуна. Серый чугун плохо сопротивляется растяжению, хрупкий, но обладает хорошей жидкотекучестью, малой усадкой при кристаллизации, легко обрабатывается резанием, хорошими антифрикционными свойствами (графит выполняет роль смазки), поглощает вибрацию, малочувствителен к концентраторам напряжений (надрезам, выточкам).

Удельный вес серого чугуна колеблется в пределах 6,6…7,4 г/см³ и зависит от количества углерода, степени графитизации и количественного соотношения структурных составляющих.

Теплоемкость серого чугуна также зависит от вышеперечисленных факторов и в интервале температур 0…700 ⁰С равна 16 кал/(г∙⁰С). Теплопроводность равна 0,16 кал/(см∙с∙⁰С). Средний коэффициент линейного термического расширения в интервале температур 0…100 ⁰С можно принять (10…11)∙10⁶ см/(см∙⁰С), а в интервале температур 100…700 ⁰С он равен 14∙10⁶ см/(см∙⁰С).

Основными элементами в чугунах являются Fe-C-Si и постоянными примесями — Мn, Р, S. Кремний обладает сильным графитизирующим действием, марганец затрудняет графитизацию. Сера является вредной примесью, ухудшает литейные и механические свойства чугунов.

Фосфор является в чугунах полезной примесью, так как улучшает жидкотекучесть. Участки фосфидной эвтектики увеличивают твердость и износостойкость чугуна. Чаще всего содержание фосфора находится в пределах 0,2…0,5 %. Для отливок, от которых требуется высокая износостойкость, содержание фосфора допускается 0,7 %, а для художественного литья — до 1 %.

Наглядное представление о влиянии углерода и кремния на степень графитизации чугуна и его структуру дает структурная диаграмма (толщина стенки отливки 50 мм), приведенная на рисунок 37.

I- белый чугун; II- половинчатый чугун; III- серый чугун на перлитной основе; IV- серый чугун на ферритно-перлитной основе; V- серый чугун на ферритной основе

Рисунок 37 — Структурная диаграмма

Серый чугун маркируется буквами СЧ, после которых ставится число, показывающее гарантируемый предел прочности на растяжение в кгс/мм²

(10^-1 МПа).

Ферритные чугуны марок СЧ10, СЧ15, СЧ18 применяются для малоответственных деталей, испытывающих небольшие нагрузки. Например, фундаментные плиты, крышки, фланцы, рамы двигателей, компрессоров, шиберы и заслонки печей, корпусы фильтров и масленок, маховики, корпуса редукторов, насосов, тормозные барабаны, диски сцепления и др. Структура серых чугунов приведена на рисунок 38.

Феррито-перлитные чугуны марок СЧ20, СЧ21, СЧ25 применяются для деталей, работающих при повышенных статических и динамических нагрузках. Например, головки цилиндров, поршни, втулки для поршневых колец паровых цилиндров, колеса центробежных насосов, станины станков, зубчатые колеса, диафрагмы, цилиндры низкого давления и выхлопные патрубки турбин.

а- на ферритной основе; б- на ферритно -перлитной основе;

в- на перлитной основе

Рисунок 38 — Структура серых чугунов

Перлитные чугуны марок СЧ30, СЧ35, СЧ40, СЧ45 применяют для деталей, работающих при высоких нагрузках или в тяжелых условиях износа: зубчатые колеса, гильзы блоков цилиндров, распределительные валы и др. Мелкие разобщенные графитовые включения меньше снижают прочность чугунов. Измельчение графитовых включений достигается путем модифицирования жидкого чугуна ферросилицием, алюминием или феррокальцием (0,3…0,6 % от массы шихты). Отливки из серого чугуна подвергают термической обработке: для снятия внутренних напряжений — отжиг I рода (560 ⁰С), нормализацию или закалку с отпуском для повышения механических свойств и износостойкости. Для повышения износостойкости гильз цилиндров, распределительных валов и других изделий перлитные чугуны подвергают азотированию.

Ковкими называют чугуны, в которых углерод находится в свободном состоянии в форме хлопьев. Такая форма графита и является основной причиной высоких прочностных и пластических характеристик ковкого чугуна. Термин ”ковкий чугун” является условным, поскольку изделия из него, так же как и из любого другого чугуна, изготавливают не ковкой, а путем литья, и указывает на повышенную пластичность по сравнению с серым чугуном. Состав ковкого чугуна выдерживается в довольно узких пределах: 2,4…2,9 % С; 1,0…1,6 % Si; 0,2…1,0 % Мn; до 0,18 % Р и до 0,2 % S.

Невысокое содержание углерода в ковком чугуне необходимо по двум причинам. Во-первых, для получения высоких прочностных характеристик следует уменьшить количество графитовых включений. Во-вторых, необходимо избегать выделения пластинчатого графита при охлаждении отливок в форме (с этой же целью толщина стенки отливки не должна превышать 50 мм).

Ковкий чугун получают из белого путем отжига, который продолжается иногда до 5 суток. По структуре металлической основы (рисунок 39), которая определяется режимом отжига, ковкие чугуны бывают ферритными и перлитными.

Отжиг на ферритные чугуны проводится по режиму 1 (рисунок 40), обеспечивающему графитизацию всех видов цемента белого чугуна.

а – ферритного; б – перлитного

Рисунок 39 – Микроструктура ковких чугунов

Рисунок 40 – Схема отжига белого чугуна на ковкий

Отливки из белого чугуна загружают в металлические ящики и засыпают песком или стальными стружками для защиты от окисления и медленно нагревают до температуры 950…1000 ⁰С. В процессе продолжительной (10…15 ч) выдержки при такой температуре происходит первая стадия графитизации. Она состоит в распаде эвтектического и избыточного вторичного цементита.

К концу первой стадии чугун состоит из аустенита и включений углерода отжига (А + Г). Затем температуру медленно снижают до 720…740 ⁰С. При этом происходит вторая стадия графитизации.

В процессе выдержки (25…30 ч) распадается цементит перлита:

П(Ф + Ц) -> Ф + Г

и образуется ковкий чугун на ферритной основе.

Перлитный чугун получают отжигом, который проводят в окислительной среде по режиму 2 (см. рис. 40). В этом случае увеличивают продолжительность первой стадии графитизации, после которой проводят непрерывное охлаждение отливок до 20 ⁰С. Аустенит превращается в перлит (А -> П), а графит сохраняется в структуре. Получается ковкий чугун на перлитной основе.

Ковкие чугуны маркируются буквами КЧ, после которых ставятся числа, показывающие гарантируемые предел прочности на растяжение в кгс/мм2

(10^-1 МПа) и относительное удлинение в процентах. Марки ковкого чугуна:

• КЧ-30-6; КЧ 35-10; КЧ 37-12 — ферритные;
• КЧ 45-7; КЧ 60-3; КЧ 80-1,5 — перлитные.

Из этих чугунов изготавливают детали высокой прочности, работающие в тяжелых условиях износа, способные воспринимать ударные и знакопеременные нагрузки. Большая плотность отливок ковкого чугуна позволяет изготовлять детали водо- и газопроводных установок, корпуса вентилей, кранов, задвижек.

Высокопрочными называют чугуны, в которых углерод находится в свободном состоянии в виде шаровидного графита. Их получают модифицированием магнием, который вводят в жидкий чугун в количестве 0,02…0,08 %. Ввиду того, что модифицирование чистым магнием сопровождается значительным пироэффектом, применяют сплав магния с никелем.

Чугун после модифицирования имеет следующий химический состав: 3,0…3,6 % С; 1,1…1,9 % Si;. 0,3…0,7 % Мn;. до 0,02 % S и до 0,1 % P. По структуре металлической основы чугун может быть ферритным или перлитным (рисунок 41).

а- ферритного; б- перлитного

Рисунок 41 — Микроструктура высокопрочных чугунов

Шаровидный графит — менее сильный концентратор напряжений, чем пластинчатый или хлопьевидный графит, и поэтому меньше снижает механические свойства металлической основы. Чугуны обладают высокой прочностью и некоторой пластичностью, сохраняют свою прочность до 500 ⁰С (обычный чугун до 400 ⁰С). Они маркируются буквами ВЧ, после которых ставится число, показывающее гарантируемый предел прочности на растяжение в кгс/мм² (10^-1 МПа). Марки высокопрочного чугуна:

• ВЧ 38; ВЧ 42; ВЧ 50 — ферритные;
• ВЧ 60, ВЧ 80; ВЧ 120 — перлитные.

Высокопрочные чугуны применяют в различных отраслях техники, эффективно заменяя сталь во многих изделиях и конструкциях. Например, корпуса паровых турбин, насосов, вентилей, лопатки направляющего аппарата, коленчатые валы, поршни и другие ответственные детали, работающие при высоких циклических нагрузках и в условиях изнашивания.

В некоторых случаях для улучшения механических свойств применяют термическую обработку отливок; для повышения прочности — закалку и отпуск при 500…600 ⁰С; для увеличения пластичности — отжиг.

Недостатком высокопрочного чугуна является значительная объемная усадка, что приводит к появлению в отливках усадочной пористости, газовых раковин.

Разновидности чугуна

1. Особенности нелегированных чугунов

Характеристики серого чугуна

Получение серого чугуна осуществляется в домне. Исходным материалом является руда. Формирования структуры серого сплава осуществляется только в условиях низких скоростей охлаждения. По своей форме углерод, который состоит в чугуне, напоминает пластинчатый графит. Именно поэтому излом характеризуется серым цветом.

Особенности маркировки

Для маркировки серого чугуна используются буквы СЧ и цифры. Последние из них указывают на то, какой предел прочности имеет материал в период растяжения. Данный материал характеризуется универсальными литейными свойствами – малой усадкой и высокой жидкотекучестью.

Применение

Для материала характерно наличие высокой способности к рассеиванию вибрационных колебаний в условиях переменных нагрузок. Металл характеризуется высокой циклической вязкостью. Именно поэтому из данного материала изготавливают прокатные станки, станины станков. Также из серого сплава производится изготовление маховиков, шкивов, корпусов, поршневых колец и т.д.

Характеристики высокопрочного чугуна

Высокопрочный чугун характеризуется наличием графитовых включений шаровидной формы. Получение этих включений обеспечивается благодаря модифицированию магнием серого чугуна. Благодаря шаровидной форме графита, создание резкой концентрации напряжений не происходит. Именно поэтому данный материал характеризуется высоким уровнем прочности в период растяжения и изгиба.

Высокопрочный чугун характеризуется наличием маркировки ВЧ и цифрами, которые указывают на прочность данного материала. Данный металл характеризуется высокой жидкотекучестью, а также небольшой усадкой.

Если сравнивать свойства чугуна и стали, то они очень похожи между собой. Поэтому из данного материала осуществляется производство деталей турбин, коленчатых валов двигателей для таких транспортных средств, как тракторы и автомобили, звездочек, изложниц, шестерней.

Высокопрочный чугун модифицируется следующим способом: расплав сплава смешивается со специальными добавками – модификаторами, которые берутся в небольшом количестве. Это приводит к тому, что пластины графита измельчаются, и получается графит, необходимой формы. Модифицирование приводит к улучшению механических свойств сплава: возрастание вязкости, прочности и пластичности.

Характеристики чугуна, в состав которого входит вермикулярный графит

В состав данных чугунов входит графит, который имеет вермикулярную форму, а также шаровидный графит (не более сорока процентов). Для того чтобы получить чугун, в состав которого входит вермикулярный графит, его модифицируют, используя церий и магний.

Чугун имеет маркировку буквами ЧВГ, а также цифрами, которые указывают на прочность данного материала. ЧВГ характеризуется малой усадкой, также для него присуща хорошая жидкотекучесть.

Чугун, в состав которого входит вермикулярный графит, если делать оценку его механических свойств, находится между такими материалами, как высокопрочный и серый чугун. Данный материал обладает хорошей теплопроводностью, что позволяет использовать их в средах, которые характеризуются резким перепадом температуры. ЧВГ широко применяется при производстве деталей, работающих при резких перепадах температуры.

Характеристики белого чугуна

Белый чугун является универсальным материалом, производство которого осуществляется в доменной печи с применением руд. Для формирования структуры данного материала необходимо обеспечить высокую скорость охлаждения. Белый чугун характеризуется наличием в своем составе углерода, который образует цементит (Fe3C) с высоким уровнем твердости. Белый чугун невозможно подвергнуть механической обработке. Однако из него можно получить ковкий чугун или подвергнуть его легированию и значительно увеличить его износостойкость.

Характеристики ковкого чугуна

Несмотря на название, ковкий чугун не поддается ковке. Данный материал характеризуется более высоким уровнем пластичности, чем белый чугун. Ковкий чугун характеризуется хлопьевидной формой графитовых включений. Исходным материалом для производства является белый чугун. Чтобы получить ковкий чугун, необходимо нагреть белый до 1000 градусов Цельсия и выдержать 17 – 80 часов при данной температуре, после чего осуществляется медленное охлаждение до нормальных температур. Благодаря изолированной хлопьевидной форме графита обеспечивается высокий уровень прочности и пластичности данного материала.

Для маркировки ковкого чугуна используются буквы КЧ и цифры, которые обозначают прочность материала на растяжение. КЧ обладает максимально низкой жидкотекучестью и большой усадкой.

Если делать оценку механических свойств КЧ, то он занимает промежуточную позицию между сталью и серым чугуном. Ковкий чугун широко применяется для производства литых деталей, работа которых осуществляется в условиях небольших ударных нагрузок – рычагов, педалей. Также данный материал широко применяется при изготовлении трубопроводной арматуры.

 
2. Особенности легированных чугунов

Легированный чугун получается путём введения в состав обычного чугуна легированных компонентов, таких как кремний, хром, алюминий и другие. С помощью легирования чугун получает особые свойства. Легированные чугуны по своим особенностям могут быть:

• Износостойкими;
• Жаростойкими;
• Антифрикционными;
• Жаропрочными.

Маркировка легированных чугунов осуществляется в соответствии с типом стали: Ч является жаропрочным чугуном, ИЧ – износостойким чугуном, АЧ – антифрикционным чугуном, ЖЧ – жаростойким чугуном. После этого могут идти буквы, которые указывают на легирующие элементы. После букв идут цифры, которые рассказывают о примерном содержании легирующих элементов в процентном соотношении. При отсутствии цифры можно судить о наличии примерно одного процента легирующего элемента.

Характеристики износостойкого чугуна

Износостойкость – такое свойство материала, которое позволяет сопротивляться изнашиванию при трении. Для того чтобы обеспечить чугун этим свойством, в белый чугун добавляют хром, никель, титан, вольфрам и молибден.

 Для маркировки износостойкого сплава применяют буквы ИЧ и цифры, указывающие на процентное количество легирующих элементов в них.

Износостойкий чугун характеризуется высоким уровнем стойкости к абразивному износу, что позволяет применять его для производства дисков сцепления, тормозов, деталей для насосов, которыми осуществляется перекачивание абразивных сред, деталей для пескометов.

Характеристики жаростойких чугунов

Жаростойкостью называют характеристику, при которой материал способен сопротивляться окислению в газовой среде при высоких температурах.

Обеспечение жаростойкости осуществляется в результате того, что легируется серый или белый чугун с использованием таких материалов, как кремний, хром, алюминий. На поверхности материала имеются плотные защитные окисные пленки, с помощью которых осуществляется предохранение сплава от окисления в условиях высоких температур.

Маркировка жаростойкого чугуна осуществляется с применением букв ЖЧ. После этого идут цифры, которыми осуществляется обозначение легирующих элементов.

С помощью ЖЧ изготавливаются детали, которые работают в щелочной, газовой, воздушной среде, и способны выдержать температуру до 1100 градусов Цельсия. Их применяют при производстве конструкций для таких печей, как термические, доменные и мартеновские.

Характеристики жаропрочного чугуна

Жаропрочностью называют способность металла к сохранению своих свойств в условиях высоких температур.
Жаропрочность осуществляется, если легируется серый или белый чугун с применением таких материалов, как хром, никель, молибден или медь. Все жаропрочные материалы одновременно являются и жаростойким, однако не все жаростойкие материалы являются жаропрочными. Маркирование жаропрочного сплава осуществляется буквой Ч.

Данный материал широко применяется для производства газовых печей. С его помощью изготавливают детали, установка которых осуществляется в дизельные двигатели компрессорного оборудования. Также детали из этого материала устанавливаются в саунах и банях. Жаропрочным чугуном является материал, который имеет шаровидный графит.

 
Характеристики антифрикционных чугунов

Антифрикционностью называют возможность материала работать в условиях трения. Антифрикционный чугун может быть серым, высокопрочным или ковким чугуном, который характеризуется перлитной или перлитно-ферритной структурой (перлита < 85 %). Для легирования антифрикционных чугунов в большинстве случаев используется хром, медь или титан.

Это приводит к получению мелкодисперсной перлитно-ферритной структуры. Антифрикционный чугун обладает следующими свойствами: высоким уровнем износоустойчивости и достаточно низкой стоимостью. Если сравнивать данный материал с бронзой, то у него ниже уровень трения.

Основой производства данного материала являются серые (АЧС), ковкие (АЧК) и высокопрочные (АЧВ) чугуны. Данный материал очень часто применяется в виде заменителя цветных сплавов. Для того чтобы материал качественно и правильно работал, ему необходимо обеспечить регулярную и качественную смазку. Если наблюдается высокая ударная нагрузка, то это приводит к снижению качества работы антифрикционного чугуна.

Легированный чугун – обзор

8.4.1 Катализ на основе металлов

В реакциях переэтерификации использовался гетерогенный катализ металлами, соединениями (переходных) металлов, металлоорганическими соединениями и нанесенными комплексами металлов. Suppes и др. . [145] сообщили о каталитической активности различных металлов (Ni, Pd) и сплавов (чугун и нержавеющая сталь) для метанолиза соевого масла. Металлические катализаторы оценивали, прежде всего, для определения того, катализируют ли металлические поверхности реактора реакцию алкоголиза.Никель проявляет особенно высокую переэтерификационную активность (таблица 8.14) и может быть эффективным катализатором алкоголиза, если его диспергировать на носителях с большой площадью поверхности. Некоторые металлические сплавы промышленных реакторов действуют как эффективные катализаторы переэтерификации [145]. Очевидно, что исследования, проведенные с корпусами реакторов с открытыми металлическими поверхностями, могут привести к неверным интерпретациям каталитической реакционной способности, как, возможно, в случае алкоголиза над ZnO / Al ₂ O ₃ при высоких T, p [82].

Таблица 8.14. Конверсия соевого масла на различных порошкообразных катализаторах и цеолитных катализаторах (без прокаливания) ^a (после ссылки [145])

2920 80 900

Катализатор	Метиловый эфир (мас.%)
Без катализатора	0,13
CaCO 3	1,7
ZnCO 3	9,3
Никель	53
Палладий	29
ZnO
Чугун	3.1
Нержавеющая сталь	3,9
KX	11
CsX	8
(Cs, K) X	9
Cs-ETS-10	18,2
K-ETS-10	11,5
(Cs, K) -ETS-10	15

Другие выбранные металлы (Pb, Zn, Fe, Cu, Ni, Sn, Al) были проверены на их каталитическую активность при переэтерификации SBO / MeOH [164]; Pb показал самую высокую активность, дав конверсию 55% (условия реакции: молярное отношение MeOH / SBO = 42: 1, 5 мас.% Катализатора, 338 K, без сорастворителя).PCT Int. Заявка на патент. № WO 03/087279, выданный Center et al. . [81] заявлено о большом разнообразии металлических катализаторов (включая Sn, Pb, Cd, Zn, Ti, Zr, Hf, Al, Sb, Ca, Bi, Mg, U) для переэтерификации в реакторе непрерывного действия с поршневым потоком, хотя без цитирования конверсий.

Патент США № 5,525,126 на имя Басу и Норриса [11] раскрывает катализаторы на основе соединений не щелочных металлов, состоящие из смеси ацетатов Са / Ва (3: 1 мас. / Мас.) Для производства FAAE для использования в качестве дизельного топлива из безводных масла и жиры с высоким содержанием FFA без стадии предварительной этерификации, но в довольно жестких условиях реакции ( T > 473 K).

Металлоорганические катализаторы, такие как метоксид и этоксид три- n -бутилолова, могут действовать как катализаторы переэтерификации с довольно низкими выходами (20–72%). Хотя оксид бис (три- n -бутилолова) показывает хорошие каталитические результаты при алкоголизе этиленгликоля (EG) и диэтиленгликоля (DEG) соевого масла и твердого жира, эти компоненты хорошо растворимы в сложных эфирах жирных кислот, что затрудняет их разделение. Катализаторы на основе оксида алкилолова (0,01–3 мас.%) Также были заявлены для одностадийной этерификации / переэтерификации растительных масел и животных жиров при 423–473 К и 0.1–3,0 МПа при мольном соотношении спирт / масло от 3: 1 до 30: 1 [165]. Были предложены также оловоорганические оксиды в качестве катализаторов алкоголиза [166]. Абреу и др. . [167] предприняли попытку переэтерификации растительного масла в многофазных каталитических системах на основе связывания Sn (Hpy) ₂ (H ₂ O) ₂ (см. Раздел 8.2.1) с ионными жидкостями, такими как BMI (PF _{). 6} ) (ИМТ = 1-бутил-3-метилимидазол) или нанесение комплекса на кислотную ионообменную смолу (Dowex®50 WX8–100).Хотя было невозможно получить пригодную для повторного использования многофазную систему на основе этого иммобилизованного комплекса металла, SnO активен для метанолиза SBO в гетерогенной системе (конверсия 93% за 3 часа при 333 K для молярного отношения SBO / MeOH 4,15: 1. ). VO (acac) ₂ представляет собой гомогенную, а VO (acac) ₂ / селадонит – гетерогенную систему для переэтерификации соевого масла [168].

Патент США № 5532392, Gheorghiu [169] описывает катализаторы на основе органотитаната и (органо) карбоксилата титана, в частности тетрабутилортотитанат (промотированный 3 мас.% Ацетилацетоната цинка) для получения FAME из природных масел (таких как PMO, PKO, RSO) или жиров путем переэтерификации при 498 K и 5 МПа в течение 2–3 часов при молярном соотношении спирт / VO от 3: 1 до 9: 1.Поскольку для катализаторов на основе органотитанатов требуются масла или жиры с низким содержанием воды и фосфора, двухступенчатая предварительная обработка сырья (кислотное рафинирование до содержания P ниже 50 частей на миллион и комбинированная сушка / фильтрация через активную отбеливающую землю для получения H ₂ ). O <0,01% и P <15 ppm). Удивительно, но при содержании FFA ниже 5% стадия удаления жирных кислот (щелочной нейтрализацией или перегонкой с водяным паром) не требуется. Одновременная этерификация жирных кислот согласно уравнению 8.6 и переэтерификация в безводных условиях кажутся противоречивыми. Результаты скорее предполагают переэтерификацию, катализируемую кислотой. Поскольку катализатор не является ни щелочным, ни коррозионным, и не образуются коррозионные побочные продукты, оборудование может быть изготовлено из мягкой стали.

В таблице 8.15 перечислены некоторые соединения переходных металлов, активные при переэтерификации. Катализаторы на основе оксида цинка эффективны при переэтерификации масел более тяжелыми спиртами, чем метанол (например, EtOH, i -PrOH, n -BuOH), что имеет преимущество с точки зрения температуры застывания полученного таким образом биодизельного топлива [172] .Дезактивации ZnO-катализатора метанолиза RSO не наблюдали в присутствии 2,5 мас.% H ₂ O [172]. Однако склонность ZnO (и ZnCO ₃ ) переходить в раствор, особенно в присутствии высоких концентраций свободных жирных кислот, снижает каталитический потенциал. Се и Хуанг [174] показали, что каталитическая активность сравнительно недорогого гетерогенного основного катализатора KF / ZnO в превращении SBO превосходит активность KOH / ZnO и K ₂ CO ₃ / ZnO.

Патент США № 5908946, Stern и др. . (в IFP) [172] сообщил об использовании катализатора ZnO / Al ₂ O ₃ на носителе в производстве сложных алкиловых эфиров алкоголизом масел при высоких температурах (> 473 К) и давлениях; высокие конверсии (> 80%) наблюдались через 2 часа в реакторах периодического действия и непрерывном потоке с насадочным слоем. Поскольку выход составлял около 60% в отсутствие катализатора, металлическая поверхность используемого реактора могла способствовать результату.Также важно исключить щелочные соли перед прокаливанием, потому что в противном случае реальный катализатор может быть щелочной примесью, которая медленно растворяется в среде, и каталитическая активность постепенно снижается. ZnO / Al ₂ O ₃ способствует реакциям алкоголиза более высоких спиртов, чем метанол [172]. Переэтерификация глицеридов в биодизельное топливо в одну или несколько стадий также проводилась над родственным алюминатом цинка шпинельного типа, состоящим из ZnAl ₂ O ₄ xZnOyAl ₂ O ₃ (x, y = 0–2 ) [177, 178].Процесс IFP на основе катализатора шпинельного типа представляет собой значительное улучшение гетерогенного катализа. При использовании этого процесса окончательная очистка сводится к минимуму, и два продукта (FAAE и глицерин) получают с высокой степенью чистоты в условиях T = 443–523 K и p = 1,0–6,0 МПа [ 162, 172]. (Коммерческий) процесс подходит для рафинированных масел, отработанных масел для жарки, животных масел и жиров; Температура потери текучести более 10 К может быть достигнута с помощью сложных эфиров, образующихся с высшими спиртами.В недавнем PCT Int. Publ. № WO 2008/135665, Lecocq et al. . [157] IFP раскрыла улучшенные (основные) гетерогенные катализаторы фосфатного типа (такие как Zr (O ₃ POK) ₂ ) и органофосфорированные соединения металлов IV группы (Zr, Hf или Ti) (см. Раздел 15.3.1).

Benefuel Inc. (Маунт-Проспект, Иллинойс) использует новый процесс с двойным металлическим катализатором (DMC) для переэтерификации триглицеридов (ENSEL ™; технология NCL), который может быть объединен с другим экономически эффективным способом превращения глицерина в глицериловые полиэфиры. , таким образом преодолевая избыток глицерина [179].

Металлокомплексы на носителе также активны в реакциях переэтерификации простых эфиров и триглицеридов [180, 181]. Комплексы титаната, как в растворе, так и в форме на носителе, катализируют переэтерификацию по механизму кислоты Льюиса, когда реагирующий сложный эфир и металл образуют комплекс Льюиса, активирующий карбонильные группы для нуклеофильной атаки реагирующим спиртом. Промежуточный продукт распадается на полученный спирт и комплекс Льюиса на основе сложного эфира и металла. После десорбции сложного эфира продукта с сайта Льюиса цикл повторяют [180].В целом титанаты очень чувствительны к влаге.

Сильные кислоты Льюиса, такие как Ti (OR) ₄ , могут обеспечить эффективную альтернативу традиционным базовым катализаторам Бренстеда [182]. Иммобилизованные титановые катализаторы на полимерной основе (Ti (O i -Pr) ₄ , привитые на пористые поли ( p -гидроксистирол) смолы с различными уровнями сшивки) были использованы для ускорения переэтерификации метилметакрилата (ММА) с 2-этилгексанол [181]. Высокодисперсные катализаторы TiO ₂ / SiO ₂ для производства биодизеля были получены прививкой Ti (O i -Pr) ₄ на диоксид кремния [183].

Многие металлические катализаторы обладают высокой токсичностью, что требует очень эффективных процедур удаления катализатора. Чтобы улучшить их применимость, они должны быть соответствующим образом закреплены на подходящих твердых опорах. Однако нанесенные (фиксированные) металлоорганические соединения часто менее активны, чем в растворе.

Чугун: состав и свойства | Сплавы | Утюг

В этой статье мы обсудим: – 1. Введение в чугуны 2. Состав и скорость охлаждения чугунов 3.Сравнение свойств 4. Наука о создании микроструктур.

Введение в чугуны:

Чугуны представляют собой сплавы железо-углерод (и кремний), имеющие углеродное или углеродное эквивалентное значение более 2% (на самом деле это 2,1-1%), то есть больше, чем максимальная растворимость углерода в твердом состоянии в аустените, при которой происходит эвтектическая реакция. во время застывания. Поскольку более высокое содержание углерода делает их более хрупкими, промышленные чугуны обычно содержат углерод в пределах 2.От 11 до 4% и кремний от 0,5 до 3% (наряду с другими элементами, такими как марганец, сера и фосфор).

Чугуны, будучи хрупкими, нельзя ковать, катать, вытягивать и т. форма, а затем, позволяя ему затвердеть.

Поскольку литье является единственным и единственным подходящим процессом для придания формы этим сплавам, они называются чугунами. Чугуны – наименее дорогие, легкоплавкие (1140-1200 ° C) материалы с хорошей литейной способностью, хорошей обрабатываемостью, хорошей износостойкостью, высокой демпфирующей способностью, высокой прочностью на сжатие (в 3-5 раз выше прочности на разрыв), нечувствительными к зазубринам (серый утюги) и хорошая коррозионная и жаростойкость.Хотя чугуны уступают стали по механическим свойствам, они превосходят по демпфирующей способности, качеству скольжения, износостойкости и, конечно же, стоимости.

Состав и скорость охлаждения чугунов:

Углерод в чугуне может находиться в комбинированной форме в виде цементита, в свободной форме в виде графита или в том и другом виде.

Зависит от химического состава (включая наличие зародышей графита) и скорости охлаждения отливки из расплавленного состояния:

1.Состав чугуна:

(a) Углерод:

По мере увеличения содержания углерода температура плавления (по сравнению со сталями) снижается до 1200–1140 ° C, и, таким образом, углерод действует как графитизатор. Но чем больше образуется графита, тем ниже механические свойства.

(б) Кремний (0,5-3,0%):

Кремний в основном контролирует форму углерода, присутствующего в чугуне. Кремний – сильный графитирующий агент.В зависимости от его содержания (и скорости охлаждения) кремний не только помогает осаждать графит во время затвердевания, но также может графитизировать вторичный, а также эвтектоидный цементит. После того, как графитовая чешуйка сформировалась, ее форму нельзя изменить позже никаким способом. Рис. 15.1 (b) иллюстрирует влияние углерода и кремния на структуру белого или серого чугуна.

Кремний снижает эвтектический состав примерно на 0,30% углерода на каждый 1% кремния, то есть эвтектический состав затем рассчитывается с использованием CEV.Кремний также снижает содержание эвтектоидного углерода. В зависимости от содержания кремния и скорости охлаждения содержание углерода в перлите снижается до 0,50% при 2,5% кремния.

Кремний сдвигает эвтектическую линию графита вверх, так что температурный интервал между линией графита и линией цементита увеличивается с 6 ° C при 0% Si до 35 ° C при 2% Si (это увеличивает степень переохлаждения, что способствует образованию графита. ).

Природа чугуна, белого или серого, может быть изменена путем изменения содержания углерода и кремния, а также скорости охлаждения.Для высокой прочности углерод находится на нижней стороне (чтобы было мало графита), а кремний – на верхней стороне (сохраняя баланс, чтобы получить хорошую обрабатываемость). Рис. 15.1 (а) показывает, что наибольшая структурная прочность достигается, когда углерод составляет около 2,75%, а кремний – около 1,5%, т.е. когда матрица полностью перлитная.

На рис. 15.2 показано, что перлитный серый чугун CEV = 4,2 должен иметь размер пластины толщиной от 15 до 4,5 мм или от 30 до 8,5 мм в диаметре. полоса, иллюстрирующая влияние скорости охлаждения.Легирующие элементы, добавленные для придания особых свойств, создают ощущение холода. Некабидообразующие элементы, такие как Ni, Al, Cu, способствуют образованию графита, тогда как карбидообразующие элементы, такие как Mn, Cr, Mo и т. Д., Способствуют образованию цементита.

В зависимости от потенции эффект обычно рассчитывается как эквивалент кремния:

Si Equ. Значение-% Si + 3 (% C) + 0,3 (Ni% +% Cu) + 0,5 (% Al) +% P – 0,25 (% Mn) – 0,35 (% Mo) – 1,2 (% Cr)… (15,1)

(c) Сера и марганец:

Сера (0.06-0,12%), когда присутствует в виде FeS (который увеличивает склонность к хрупкости), как правило, способствует образованию цементита, то есть замедляет графитизацию и увеличивает размер чешуек. Марганец (0,5-1,0%) является мягким карбидообразующим веществом и контролирует эффект серы, если присутствует достаточное количество Mn (одна часть серы на 1,72 части марганца), поскольку он имеет большее сродство к сере (чем Fe). с образованием MnS, который поднимается к верху отливки и присоединяется к шлаку, тем самым устраняя краснелость эвтектики FeS.

Марганец, таким образом, имеет косвенный эффект, способствуя графитизации, поскольку он удаляет серу (что способствует образованию цементита). Более прямые эффекты марганца включают сильное стабилизирующее действие на цементит на эвтектоид-графитизацию (около 1% Mn может быть добавлено для получения перлитной матрицы в графитовых чугунах), упрочнение железа, измельчение зерен и увеличение прочности.

(г) Фосфор (0,1-0,9%):

Когда фосфор составляет менее 0,3%, он растворяется в феррите, в противном случае он образует Fe ₃ P, который образует эвтектику (91.19% Fe, 1,92% C, 6,89% P), называемый стеадитом, который является хрупким (вызывает хладноломкость, т. Е. Отливки не подходят для ударопрочности) и низкоплавким, M.P. 960 ° С.

Это увеличивает диапазон эвтектического затвердевания и, таким образом, способствует образованию графита и улучшает литье даже тонких и сложных профилей. 1% фосфора в чугуне дает стеадит, который составляет 10% от объема отливки; эффект охрупчивания стеадита очевиден.

2. Скорость охлаждения чугуна :

В сплавах Fe-C, хотя графит является более стабильной фазой, но образование цементита кинетически предпочтительнее, поскольку это легче и быстрее (только 6.67% атомов углерода необходимо для разделения) с образованием цементита. Высокая скорость охлаждения предотвращает образование графита на всех стадиях (от жидкости до эвтектоидной реакции).

Однако, если содержание кремния превышает 3%, графит получается даже при быстром охлаждении отливки. На рис. 15.2 показано влияние размера сечения (то есть скорости охлаждения) и значения углеродного эквивалента на тип конструкции и, таким образом, на тип полученного чугуна.

Наличие модификаторов, таких как Ca, Al, Ti, Zr, SiC, CaSi и т. Д., уменьшает размер чешуек и улучшает однородность их распределения, вероятно, потому, что зародыши способствуют зарождению первичного аустенита, таким образом уменьшая размер их зерен и, таким образом, размер чешуек и лучшее распределение.

Сравнение свойств чугунов:

В таблице 15.6 сравниваются некоторые свойства некоторых чугунов. Серый чугун является самым дешевым и легким для получения прочного литья. Чугуны с компактным графитом обладают превосходными механическими свойствами даже при повышенных температурах, чем серый чугун, но они дороги и обычно не подвергаются термообработке.

Миханитовый чугун лучше серого чугуна, но немного дороже. Чугун S.G. подвергается большей усадке во время литья (требует больших стояков и т. Д.) И является дорогостоящим, но приводит к гораздо более высокой прочности, пластичности и ударной вязкости. Ковкий чугун трудно отливать (как белый чугун), и есть ограничения по размеру сечения, чем у чугуна S.G.

В конечном виде они обычно стоят дороже, чем чугун S.G., но тонкие срезы ковкого чугуна могут быть предпочтительнее из-за более высокой прочности; С.Для получения более однородной структуры железо G. может потребоваться отжиг.

Для того, чтобы различать утюги, железо S.G. дает отчетливое кольцо при ударе молотком (не такое чистое, как сталь), тогда как серое железо дает приглушенный звук. Однако при дыхании только что отполированной поверхностью S.G. железа возникает запах ацетиленового газа (его карбид магния вступает в реакцию с влагой из дыхания).

Наука о разработке микроструктур чугунов:

Графитовые чугуны содержат графит, внедренный в стальную матрицу, т.е.е., различное соотношение феррита и перлита (от нуля процентов перлита до 100%). Свойства чугунов определяются как свойствами матрицы, так и количеством, размером, формой и распределением столь необходимых включений графита (для некоторых свойств, таких как обрабатываемость, демпфирующая способность, износостойкость и т. Д.). Чешуйки графита в сером чугуне обладают эффектом ослабления и охрупчивания, поскольку графит можно представить как пустоты или острые трещины, нарушающие целостность пластичной матрицы.

Острые концы каждой чешуйки действуют как внутренняя выемка, которая под действием напряжения действует как концентратор напряжения, легко распространяя трещину в пластичной матрице, давая хрупкую, покрытую сажей, серую трещину при низких напряжениях от 150 до 400 МНм. ^-2 , в зависимости от характера матрицы; максимальное значение имеет место, когда матрица состоит только из тонкого перлита.

Термическая обработка серого чугуна может привести к образованию других структур матрицы, таких как отпущенный мартенсит, который обычно обладает более высокими прочностными свойствами, но такие важные свойства, как предел прочности на разрыв, ударная вязкость и пластичность, не сильно меняются, поскольку хлопья вызывают хрупкое разрушение. .Прочностные свойства серого чугуна еще больше ухудшаются по мере увеличения объема графита, а чешуйки становятся крупнее. Замкнутая сеть чешуек графита приводит к худшим механическим свойствам.

Повышение прочности и ударной вязкости может быть достигнуто за счет измельчения чешуек, например, в механитовом чугуне, и за счет уменьшения общего объема графита за счет меньшего содержания углерода и кремния. Затем прочность и ударную вязкость можно повысить за счет термической обработки, то есть путем изменения матрицы.

Охрупчивающий эффект графита может быть значительно уменьшен, поскольку форма графита изменяется от чешуйчатой ​​до сфероидальной, поскольку круглые включения графита не создают резких концентраций напряжений, поскольку они не действуют как острые трещины в матрице (даже короткие чешуйки- графитовые стержни со скругленными краями в чугуне с компактным графитом являются меньшим концентратором напряжений).

Таким образом, чугуны S.G. обладают более высокой прочностью на растяжение и изгиб, а также пластичностью. С той же стальной матрицей пластичность (выраженная в% относительного удлинения) чугунов изменяется в зависимости от формы графита, как указано в i.е. пластичность, по-видимому, больше зависит от формы и размера графита, чем от металлической матрицы в графитовых чугунах.

Твердость (макро) больше зависит от структуры матрицы и меньше от формы графита. Серый чугун обычно закаливают и отпускают для повышения его устойчивости к износу и истиранию за счет увеличения твердости за счет структуры, состоящей из графита, встроенного в твердый мартенсит. Чугун вообще никогда не закаливают в воде (за исключением поверхностного упрочнения), поскольку он имеет относительно высокую закаливаемость для получения мартенсита закалкой в ​​масле и без создания больших закалочных напряжений.

Поскольку графит в виде конкреций в шаровидном чугуне (а также в ковком чугуне) не является резким концентратором напряжений и не действует как трещина, изменение микроструктуры матрицы путем соответствующей термической обработки приводит к заметному увеличению прочностные свойства чугуна с шаровидным графитом (также ковкого чугуна) и, следовательно, подвергаются различной термообработке.

Когда графитовый чугун нагревается для термообработки, он имеет тенденцию к образованию защитной атмосферы при помещении в герметичную печь или коробку, в противном случае происходит нежелательное сильное окисление.Образуется субшкала силиката железа, которую можно удалить только электролизом расплавленных солей (процесс Колена). Лучше использовать атмосферу защитного газа, особенно для деталей после чистовой обработки.

Нагрев графитового железа может изменить его матрицу. Когда он нагревается, то при температурах, приближающихся к более низкой критической температуре, выше примерно 540 ° C, его кремний может вызвать диссоциацию цементита перлита на феррит и углерод. Углерод диффундирует в уже имеющийся графит и откладывается на нем.

Нижняя критическая температура чугуна рассчитывается как:

Нижняя критическая температура, ° C = 730 + 28 (% Si) – 25 (% Mn)… (15,2)

Когда этот чугун нагревается выше критической температуры, образуется аустенит, который за короткое время насыщается углеродом, растворенным в графите. Микроструктура чугуна при температуре немного выше T ₂ должна содержать графит и аустенит с точкой состава C ₁ , как показано на рис.15.14.

Если чугун нагревается до более высокой температуры, из графита растворяется больше углерода, чтобы насыщать аустенит при новой температуре. Например, при температуре T (≈ 900 ° C) аустенит имеет содержание углерода около 1,1%. Таким образом, как только аустенит получен, чугуны можно подвергать большей части термической обработки, как и сталям, при условии, что они экономичны с коммерческой точки зрения.

Химический состав также влияет на термическую обработку чугунов. В нелегированных чугунах есть кремний и марганец.Кремний ускоряет различные реакции, происходящие при термообработке; снижает растворимость углерода в аустените, увеличивает скорость диффузии углерода в аустените; значительно повышает температуру аустенизации, как указано в уравнении 15.2; уменьшает объем цементита в перлите, т.е. содержание углерода в перлите составляет менее 0,77% и может составлять 0,50% при 2,5% кремния.

Марганец оказывает противоположное действие – снижает температуру аустенизации; увеличивает растворимость углерода в аустените; уменьшает диффузию углерода в аустените; увеличивает объем цементита в перлите, т.е.е., увеличивает содержание углерода в перлите; стабилизирует перлитный карбид, тем самым увеличивает содержание перлита; уменьшает интервалы перлита, тем самым увеличивает прочность; увеличивает прокаливаемость, но обычно замедляет реакции термообработки.

Чугун: свойства, обработка и применение

Чугун – это сплав железа, содержащий 2–4 мас.% Углерода, 1–3 мас.% Кремния и меньшие количества второстепенных элементов [1]. Для сравнения, сталь имеет более низкое содержание углерода до 2 мас.% и меньшее содержание кремния.

Чугун также может быть дополнительно оптимизирован путем легирования небольшими количествами марганца, молибдена, церия, никеля, меди, ванадия и титана перед литьем.

В зависимости от содержания кремния в чугуне он классифицируется как белый чугун или серый чугун и может подвергаться дальнейшей обработке при определенных температурах для получения ковкого или ковкого чугуна.

Общие свойства чугуна

Чугун высоко ценится за его способность легко отливать сложные формы в расплавленном состоянии и за его низкую стоимость.Кроме того, его свойства можно легко изменить, регулируя состав и скорость охлаждения без значительных изменений в методах производства.

Его другие основные преимущества перед литой сталью включают простоту обработки, гашение вибрации, прочность на сжатие, износостойкость и коррозионную стойкость [2]. Коррозионная стойкость чугуна повышается за счет добавления второстепенных элементов, таких как кремний, никель, хром, молибден и медь [3].

Виды чугуна и их применение

Чугун можно разделить на серый чугун, белый чугун, ковкий чугун и ковкий чугун, в зависимости от его состава.

Серый чугун

Серый чугун или серый чугун имеет темно-серый цвет излома из-за графитовой микроструктуры. Наличие чешуек графита связано с добавлением кремния, который стабилизирует углерод в виде графита, а не карбида железа. Серый чугун обычно имеет состав 2,5–4,0 мас.% Углерода и 1,0–3,0 мас.% Кремния [1].

Применение серого чугуна

Серый чугун – наиболее распространенная форма чугуна.Он используется в приложениях, где его высокая жесткость, обрабатываемость, гашение вибрации, высокая теплоемкость и высокая теплопроводность являются преимуществом, например, в блоках цилиндров двигателя внутреннего сгорания, маховиках, картерах коробки передач, коллекторах, роторах дисковых тормозов и посуде.

Обычно используемой классификацией серого чугуна является международный стандарт ASTM A48. В соответствии с этой системой серые чугуны классифицируются в соответствии с их пределом прочности на разрыв, например, серый чугун класса 20 имеет минимальную прочность на разрыв 20000 фунтов на квадратный дюйм (140 МПа).

Белый чугун

Белый чугун имеет белый цвет излома из-за присутствия карбида железа или цементита Fe3C. Наличие углерода в этой форме, в отличие от графита, является результатом более низкого содержания кремния по сравнению с серым чугуном. Белый чугун обычно содержит от 1,8 до 3,6 мас.% Углерода, от 0,5 до 1,9 мас.% Кремния и от 1,0 до 2,0 мас.% Марганца.

Белый чугун чрезвычайно износостойкий, но хрупкий. Они обладают высокой твердостью благодаря своей микроструктуре, содержащей крупные частицы карбида железа, и их нелегко обрабатывать.

Аппликации из белого чугуна

Белый чугун используется в износостойких деталях, хрупкость которых не вызывает особого беспокойства, таких как футеровка корпуса, шламовые насосы, шаровые мельницы, подъемные штанги, экструзионные форсунки, смесители для цемента, трубопроводная арматура, фланцы, дробилки и рабочие колеса насосов.

Популярный сорт белого чугуна – это высокохромистые белые чугуны, ASTM A532. Он содержит никель и хром для применения с низким уровнем ударной абразивности [4].

Ковкий чугун

Ковкий чугун получают путем термообработки белого чугуна с медленным отжигом.Это приводит к превращению углерода в форме карбида железа в белом чугуне в графит, а остальная матрица состоит из феррита или перлита [1]. Графит имеет сферическую или узловатую форму.

Ковкий чугун обладает хорошей пластичностью и пластичностью. Из-за более низкого содержания кремния по сравнению с другими чугунами он демонстрирует хорошую вязкость разрушения при низкой температуре.

Применение ковкого чугуна

Благодаря хорошему пределу прочности на разрыв и пластичности ковкий чугун используется для изготовления электрической арматуры и оборудования, ручных инструментов, трубопроводной арматуры, шайб, кронштейнов, сельскохозяйственного оборудования, оборудования для горнодобывающей промышленности и деталей машин.

Распространенная классификация ковкого чугуна – ASTM A47.

Ковкий чугун

Ковкий чугун, также известный как чугун с шаровидным графитом и чугун с шаровидным графитом, характеризуется наличием графита в форме сферических утолщений, как и в ковком чугуне. В отличие от ковкого чугуна, ковкий чугун образуется не путем термообработки белого чугуна, а благодаря определенному химическому составу.

Ковкий чугун содержит 3,2 мас.% – 3,6 мас.% Углерода, 2,2 мас.% – 2,8 мас.% Кремния и 0,1 мас.% – 0,2 мас.% Марганца, а также меньшие количества магния, фосфора, серы и меди. Присутствие марганца определяет сферическую форму включений графита [4].

Применение высокопрочного чугуна

Благодаря своей микроструктуре этот материал более пластичен, чем серый или белый чугун. По этой причине он используется как труба из высокопрочного чугуна для водоснабжения и канализации. Он также может выдерживать термоциклирование и поэтому используется в зубчатых передачах и компонентах подвески транспортных средств, тормозах и клапанах, насосах и гидравлических частях, а также в корпусах ветряных турбин.

Ковкий чугун обычно классифицируется как ASTM A536.

Производство и обработка

Для производства чугуна железо должно быть извлечено из железной руды. Руда выплавляется в доменной печи, где она разделяется на чугун и шлак. Печь нагревается примерно до 1800 градусов Цельсия в атмосфере кислорода, и образующийся шлак поднимается вверх и может быть удален.

Расплавленный чугун, представленный ниже, содержит от 3 до 5 мас.% Углерода. Затем он комбинируется с железом, сталью, коксом и известняком.

После селективного удаления примесей из этого железа содержание углерода снижается. На этом этапе может быть добавлен кремний для преобразования содержания углерода в графит или цементит. Затем железо отливают в различные формы.

[1] Р. Эллиотт, Технология чугуна. Баттервортс, 1988, стр. 1

[2] «Чугун против литой стали», Reliance Foundry, май. 17, 2017. [Онлайн]. [Доступ: 8 октября 2018 г.].

[3] С. К. Сарна, «Коррозия чугунов», ispatguru.com, июн.28, 2016. [Online]. [Доступ: 8 октября 2018 г.].

[4] С. К. Сарна, “Применение чугуна, чугунных отливок, сделанных в Китае”, Reliance Foundry. [Онлайн]. [Доступ: 9 октября 2018 г.].

Сплав чугуна

Термин “чугун” описывает большое семейство сплавов черных металлов. Он содержит 2-4% углерода, вместе с кремнием, марганцем. Чугуны производятся определенной формы для обработки механической обработкой, термообработкой или сборкой. Иногда для удовлетворения определенных требований его можно выковать или прокатить.Чугун получают путем плавления чугуна и последующего соединения его со сталью или железным ломом.

Обычно в чугуне содержится до 3% кремния. Впрочем, он может меняться при создании специальных композиций, таких как:

• Кремний: Кремний до 6%
• Duriron: Кремний до 12%

Вы можете приобрести чугун различных товарных марок, таких как серый чугун, закаленный чугун, крапчатый чугун, белый чугун, ковкий чугун, высокопрочный чугун, чугун с шаровидным графитом, чугун с шаровидным графитом и аустенитный чугун.

Чугун получают путем плавки передельного чугуна. Часто эта плавка осуществляется вместе со стальным и железным ломом. Он также включает в себя ряд этапов, которые приводят к удалению нежелательных элементов (фосфора и серы).

• Основная цель этой обработки – снизить содержание углерода и кремния до желаемого уровня. Затем в расплав добавляют другие элементы.
• Маленькая доменная печь, известная как вагранка, используется для плавки железа.
• После завершения плавки расплавленный чугун удаляется из копилки доменной печи.
• Окончательная форма изготовлена ​​методом литья.

Типы чугунов Во время затвердевания основная часть углерода выпадает в виде графита или цементита. Когда затвердевание только что завершено, осажденная фаза погружается в матрицу аустенита, которая имеет равновесную концентрацию углерода около 2 мас.%.При дальнейшем охлаждении концентрация углерода в аустените уменьшается по мере того, как из твердого раствора выделяется больше цементита или графита. В случае обычных чугунов аустенит затем разлагается на перлит при температуре эвтектоида. Однако в серых чугунах, если скорость охлаждения за счет температуры эвтектоида достаточно мала, то получается полностью ферритная матрица с отложением избыточного углерода на уже существующем графите.

• Белый чугун: Белый чугун трудно поддается механической обработке, поскольку он твердый и хрупкий.
• Серый чугун: из-за наличия микроструктуры графита в матрице из преобразованного аустенита и цементита, серый чугун более мягкий.
• Чугун с шаровидным графитом: химический состав чугуна аналогичен составу серого чугуна, но с содержанием магния 0,05 мас.%.
• Ковкий чугун: один из самых популярных сплавов, используемых при литье. Он имеет широкое применение, включая автомобильные компоненты, промышленное оборудование, производство электроэнергии ветряными турбинами, клапаны, оборудование для кондиционирования воздуха, оборудование для газонов и сада, а также сельскохозяйственную продукцию.
• Чугун с шаровидным графитом: Чугун с шаровидным графитом известен своей превосходной вязкостью и имеет широкое применение, например коленчатые валы.

Отливки из чугуна Сплавы чугуна широко используются в литейных изделиях из-за их характеристик, таких как прочность, хорошее соотношение прочности и веса, экономичная цена и доступность в изобилии, способность изготавливать изделия сложной геометрии. Отливки из чугуна используются в различных областях, таких как автомобилестроение, сельское хозяйство, бытовая техника и т. Д.

Преимущества в литье:

• Семейство материалов, пригодных для различных инженерных и производственных приложений («семейство» включает серый чугун, высокопрочный чугун, чугун с компактным графитом, ковкий чугун и белый чугун).
• Возможность литья со вставками из других материалов.
• Способность изготавливать изделия сложной геометрии и сечения различных размеров.
• Возможность отливки сложных форм, а также сечения от очень тонких до очень толстых.
• Хорошее соотношение прочности и веса.
• В целом экономичнее, чем материалы конкурентов, и относительно невысокая стоимость единицы прочности по сравнению с другими материалами.
• Превосходная демпфирующая способность, особенно для серого чугуна.
• Возможность изменения конструкции и объединения двух или более деталей из других материалов в одну отливку, что сокращает время и стоимость сборки.
• Различные типы процессов литья для низкой, средней и высокой производительности.
• Различные отливки из чугуна могут использоваться без термической обработки (как отливки), однако, при необходимости, они могут быть подвергнуты термообработке для улучшения общих свойств или определенных свойств, таких как твердость поверхности.

Руководство по выбору чугунов: типы, характеристики, применение

Чугуны – это большая группа сплавов черных металлов, которые содержат большое количество углерода и затвердевают с эвтектикой (химический карбид, который затвердевает при более низкой температуре).Они производятся из чугуна и в основном легированы углеродом и кремнием.

Температуры плавления у них заметно ниже, чем у стали. Расплавленный чугун более текуч, чем расплавленная сталь, и менее вступает в реакцию с формовочными материалами, что делает его идеальным для литья. Чугун, который часто называют дешевым, грязным и хрупким металлом, сегодня привлекает гораздо больше внимания и используется из-за его обрабатываемости, легкого веса, прочности, износостойкости и демпфирующих свойств.

Типы

Существует четыре основных типа чугуна: белый чугун, серый чугун, ковкий чугун и ковкий чугун.

Белый чугун содержит большой процент эвтектических карбидов, повышающих твердость за счет ударной вязкости. Присутствие различных карбидов, полученных легированием, делает белое чугун чрезвычайно твердым и стойким к истиранию, но при этом очень хрупким.

Серый чугун характеризуется микроструктурой графита, из-за которой изломы материала приобретают серый цвет. Это наиболее часто используемый чугун. Чешуйчатая форма графита в сером чугуне влияет на его механические свойства.Чешуйки графита могут действовать как концентраторы напряжения, которые могут преждевременно вызвать локализованную пластичность и вызвать разрушение матрицы. В результате серый чугун не проявляет упругих свойств и разрушается при растяжении без значительной пластической деформации, но придает ему превосходную обрабатываемость, демпфирующие характеристики и самосмазывающиеся свойства.

Ковкий чугун , также называемый чугуном с шаровидным графитом, содержит небольшое количество магния или церия, добавленного к этим сплавам для замедления роста выделений графита.Благодаря времени и контролю это позволяет углю отделяться в виде сфероидальных частиц во время затвердевания. Свойства аналогичны ковкому чугуну, но можно отливать детали с большим сечением.

Ковкий чугун отливают как карбидный чугун, и для преобразования карбида в графит используется термообработка отжигом. Графит существует в более сферической форме в ковком чугуне, что придает ему пластичность и прочность, аналогичную литой низкоуглеродистой стали. Образование карбида вызывает усадку чугуна, и, таким образом, процесс литья требует большего поля, чем желаемый выход.

Характеристики

Выбор металлических сплавов требует анализа требуемых размеров и технических характеристик. Размеры, которые следует учитывать, включают:

• Наружный диаметр (OD)
• Внутренний диаметр (ID)
• Общая длина
• Общая толщина

Другие важные характеристики (в зависимости от области применения) включают форму продукта, предел прочности, предел текучести, точку плавления, проводимость, коррозионную стойкость, пластичность и пластичность.Эти свойства различаются в зависимости от метода формования и состава сплава.

Приложения

Чугун исторически использовался для строительных конструкций, таких как мосты, текстильные фабрики и другие здания. Чаще всего чугун сегодня используется в специализированных промышленных приложениях и в бытовой технике.

Изображение предоставлено:

Викимедиа

Что такое чугун

На главную> Советы и факты> Что такое чугун

Термин « чугун » обозначает целое семейство металлов с широким спектром свойств.Это общий термин, такой как сталь, который также обозначает семейство металлов. И стали, и чугуны в основном состоят из железа с углеродом (C) в качестве основного легирующего элемента. Стали содержат менее 2% и обычно менее 1% C, в то время как все чугуны содержат более 2% C. Около 2% – это максимальное содержание C, при котором железо может затвердеть как однофазный сплав со всем C в растворе. в аустените. Таким образом, чугуны по определению затвердевают как гетерогенные сплавы и всегда имеют более одного компонента в своей микроструктуре.

В дополнение к C, чугуны также должны содержать значительное количество кремния (Si), обычно от 1 до 3%, и, таким образом, они фактически являются сплавами железо-углерод-кремний. Высокое содержание C и Si в чугунах делает их отличными литейными сплавами. Их температуры плавления заметно ниже, чем у стали. Расплавленное железо более жидкое, чем расплавленная сталь, и менее реагирует с формовочными материалами. Образование графита более низкой плотности в чугуне во время затвердевания уменьшает изменение объема металла от жидкого к твердому и делает возможным производство более сложных отливок.Однако чугуны не обладают достаточной пластичностью для прокатки или ковки.

Различные типы чугуна не могут быть определены по химическому составу из-за сходства между типами. В таблице 1 перечислены типичные диапазоны составов для наиболее часто определяемых элементов в пяти основных типах чугуна.

Таблица 1. Состав стандартных нелегированных чугунов

Процент (%)
Тип Утюг	Углерод	Кремний	Марганец	Сера	фосфор
Серый	2.5-4,0	1,0–3,0	0,2–1,0	0,02–0,25	0,02–1,0
Пластичный	3,0-4,0	1,8–2,8	0,1–1,0	0,01-0,03	0,01-0,1
Уплотненный графит	2.5-4,0	1,0–3,0	0,2–1,0	0,01-0,03	0,01-0,1
Ковкий (литой белый)	2. -2.9	0,9–1,9	0,15–1,2	0,02-0,2	0.02-0,2
Белый	1,8–3,6	0,5–1,9	0,25-0,8	0,06-0,2	0,06-0,2

Существует шестая классификация для коммерческих целей – высоколегированные чугуны. Они имеют широкий диапазон базового состава, а также содержат большое количество других элементов.

Наличие некоторых второстепенных элементов также жизненно важно для успешного производства каждого типа железа. Например, зародышеобразователи, называемые модификаторами, используются при производстве серого чугуна для контроля типа и размера графита. Незначительные количества висмута и теллура используются в производстве ковкого чугуна, а присутствие нескольких сотых процента магния (Mg) вызывает образование сфероидального графита в высокопрочном чугуне.

Кроме того, состав чугуна должен быть адаптирован к конкретным отливкам.Мелкие и крупные отливки из одного сорта чугуна не могут быть изготовлены из металла одного и того же состава. По этой причине большинство отливок из чугуна покупают на основе механических свойств, а не состава. Обычное исключение – отливки, требующие особых свойств, таких как коррозионная стойкость или устойчивость к повышенным температурам.

Различные типы чугуна можно классифицировать по их микроструктуре. Эта классификация основана на форме и форме, в которой большая часть углерода содержится в железе.Эта система предусматривает пять основных типов: серый чугун, высокопрочный чугун, ковкий чугун, чугун с компактным графитом (CGI) и белый чугун. Каждый из этих типов может подвергаться умеренному легированию или термообработке без изменения его основной классификации. Высоколегированные чугуны, обычно содержащие более 3% добавленного сплава, также могут быть индивидуально классифицированы как серый, высоколегированный чугун или белый, но высоколегированные чугуны коммерчески классифицируются как отдельная группа.

следующий: Серый чугун >>

Если вы хотите получить дополнительную информацию о Atlas Foundry Company, отливках из серого чугуна и других услугах, которые мы предоставляем, позвоните нам по телефону (765) 662-2525 , заполните контактную форму или напишите в отдел продаж.

Услуги | Продукты | Оборудование | Преимущества | FAQs
Советы и факты | Ссылки | О литейной фабрике Атлас | Глоссарий литейного производства
Связаться с Atlas Foundry | Карта сайта | Вернуться домой

---

Atlas Foundry Company, Inc.
601 N. Henderson Avenue
Marion, IN 46952-3348
Телефон: (765) 662-2525 • Факс: (765) 662-2902
Электронная почта: Atlas Foundry • Продажи: Продажа по электронной почте

Авторские права © 2001-2018 Atlas Foundry Company Inc.Все права защищены.

Справочник по сварке чугуна

Справочник по сварке чугуна Сварка Цветной Металлы Лечение Сварка Чугун Сварка Железо Металлы 2

Продолжение на следующей странице…

серое железо одинаково прочно или одинаково жесткий. Как и у стали, прочность на разрыв и твердость тесно связаны. В сером утюги, предел прочности на разрыв от от примерно 14 МПа (20 000 фунтов на квадратный дюйм) до более чем 35 МПа (50 000 фунтов на квадратный дюйм). Твердость самые сильные оценки вдвое больше, чем самых слабых марок. Все серые чугуны обладают высокой прочностью на сжатие – три до четырех раз их прочность на разрыв. Пока все серые чугуны содержат свободный углерод (графит) в виде чешуек, а также комбинированный углерод (карбид железа) почти во всех случаях.Этот комбинированный углерод часто присутствует в зернах перлита, например, содержится в большинстве углеродных стали. Он также может быть найден в виде цементита или мартенсита. Состав чугун, скорость, с которой он охлаждение после литья и термообработка после литья имеют отношение к структура. Небольшие количества легирования элементы используются в прочнейшем сером чугуне; они стремятся предотвратить образование перлита. Пока твердость и прочность стали почти всегда увеличивается с увеличением содержания углерода, в случае из серого чугуна прочнейшего, самые твердые сорта имеют меньше углерода, чем некоторые из менее прочных и менее дорогих оценки.Серый чугун обычно отливают в песчаных формах и дают нормально остыть в форме. Высокая температура лечение после гипсовой повязки нет всегда необходимо, но часто используется для увеличения или уменьшения твердость. Практически все бензиновые и Блоки дизельных двигателей отлиты из серого чугуна. Всякий раз, когда промышленность желает сложного форма, которая может быть обработана Серый чугун с жесткими допусками и должен выдерживать абразивный износ. Только когда это необходимо что готовый элемент имеет некоторую пластичность и хорошую ударопрочность – это другое материал – например, узелковый чугун или стальное литье, и то и другое дороже – скорее всего, заменят.Упомянутое выше белое железо – это примерно такой же, как у серого чугуна по составу, но был быстро охлажден, так что графит не успевает образоваться, и весь углерод превращается в комбинированную форму, в виде перлита, цементита или мартенсит. Многие отливки из белого чугуна впоследствии превращаются в ковкое железо, о чем мы поговорим дальше. Однако некоторые отливки из серого чугуна изготовлены с изнашиваемыми поверхностями из белого железа, так как белое железо намного тверже, чем серый чугун, хотя и чрезвычайно хрупкий.Это достигается путем вставки металлических или графитовых охлаждающих блоков в соответствующие места. места в форме. Расплавленный металл который затвердевает на этих холодных блоках, остывает так быстро, что белое железо поверхности созданы. Лемехи железнодорожные автомобильные колеса и различные типы матриц часто изготавливаются из таких охлажденных белые железные поверхности. .