Чугун и сталь

Содержание
  1. Сталь
  2. Маркировка
  3. Список литературы
  4. Подобные посты
  5. Новинка
  6. Характерные черты и свойства чугуна
  7. История
  8. Чугун
  9. Виды чугуна
  10. Белый
  11. Серый
  12. Ковкий
  13. Высокопрочный
  14. Передельный
  15. Специальные
  16. Достоинства и недостатки материала
  17. Области использования
  18. Белый чугун
  19. Индивидуальные свойства металла
  20. Области применения
  21. Доска почета
  22. 5 статей, которые вам необходимо прочесть…
  23. Технология получения
  24. Свойства и характеристики
  25. Параметры чугуна
  26. Чем отличается ковер от ковролина? Плюсы, минусы и как правильно выбрать
  27. Серый чугун
  28. Структура и состав
  29. Процесс производства чугуна
  30. Технологический процесс проходит в несколько этапов
  31. Процессы протекающие в печи
  32. Ковкий чугун
  33. Где используется чугун
  34. Белый чугун
  35. Серый
  36. Ковкий
  37. Специальные
  38. Особенности сплава
  39. Производственные технологии
  40. Высокопрочный чугун
  41. Предельный чугун.
  42. Способы изготовления чугуна и стали
  43. Классификация
  44. Маркировка чугуна
  45. Разновидности чугуна
  46. Различия между чугуном и сталью

Сталь

Применяется сталь повсеместно. В промышленности при производстве различных металлоконструкций, деталей машин, трубопроводов и прочих изделий. В быту сталь представлена стальными столовыми приборами, кухонной утварью, предметами интерьера, мебелью и т.д.

Сталь ‒ это сплав железа и углерода. Содержание углерода в стали — не более 2% (он увеличивает прочность), а железа не меньше 45%. Также в состав стали могут входить никель, хром, кремний, марганец и прочие добавки.

Никель увеличивает прочность, вязкость и твердость.

Хром увеличивает прочность стали, ее твердость и сопротивляемость износу.

Кремний добавляет прочности, твердости и упругости стали, снижает ее вязкость.

Марганец улучшает свариваемость и прокаливаемость.

рисунок2.jpg

В зависимости от сферы применения, марки стали делятся на следующие типы:

  • конструкционные;

  • инструментальные.

Конструкционная сталь используется в строительстве и машиностроении. Из неё изготавливают различные детали, механизмы, конструкции массового назначения.

Инструментальная сталь имеет высокую твердость и прочность. Этот тип стали идеально подходит для изготовления ножей, клинков и другого инструмента.

рисунок3.jpg

По наличию легирующих компонентов марки стали бывают:

  • низколегированные;

  • среднелегированные;

  • высоколегированные.

По содержанию углерода марки стали бывают:

  • низкоуглеродистые — содержание углерода не превышает 0,25%;

  • среднеуглеродистые- не более 0,55%;

  • высокоуглеродистые- не более 0,85%.

рисунок4.jpg

По содержанию неметаллических элементов с таль бывает:

  • обычная- содержание фтора и серы не превышает 0,05%;

  • качественная- менее 0,035%;

  • высококачественная- менее 0,025%;

  • особо высококачественная сталь- менее 0,015%.

Качество стали повышается в процессе закаливания. Также этот сплав обладает высокой теплопроводностью. Температура плавления всех марок стали находится в диапазоне от 1450 до 1520 °С.

Маркировка

В промышленности разновидности чугуна маркируются следующим образом:

  • передельный чугун — П1, П2;
  • передельный чугун для отливок — ПЛ1, ПЛ2,
  • передельный фосфористый чугун — ПФ1, ПФ2, ПФ3,
  • передельный высококачественный чугун — ПВК1, ПВК2, ПВК3;
  • чугун с пластинчатым графитом (серый чугун — СЧ (цифры после букв «СЧ», обозначают величину временного сопротивления разрыву в кгс/мм2, 1 кгс/мм2 = 10 МПа);
  • ковкий чугун — КЧ (цифры после букв «КЧ» обозначают величину временного сопротивления разрыву в кгс/мм2 и относительное удлинение в %);
  • чугун с шаровидным графитом для отливок (высокопрочный чугун) — ВЧ (цифры после букв «ВЧ» обозначают величину временного сопротивления разрыву в кгс/мм2 и относительное удлинение в %);
  • антифрикционный чугун (серый — АЧС, высокопрочный — АЧВ, ковкий — АЧК);
  • чугун легированный со специальными свойствами — Ч (буквы после буквы «Ч» обозначают легирующие элементы: Х — хром, С — кремний, Г — марганец, Н — никель, Д — медь, М — молибден, Т — титан, П — фосфор, Ю — алюминий).

Список литературы

  1. Загуляева С.В., Макашова Л.С. Материаловедение. — Ярославль: ЯГТУ, 1996. — 60 с.
  2. Википедия: Чугун. – http://ru.wikipedia.org/wiki/Чугун.
< Основные понятия теории сплавов Содержание Стали >

00голосаРейтинг статьи Общетехнический минимум по материаловедению для ремонтного персонала

Подобные посты

материал предоставил СИДОРОВ Александр Владимирович Материаловедение — научная дисциплина, изучающая взаимосвязь между составом, строением и свойствами материалов. Назначение материала определяется требованиями конструкции (конструкционные критерии — прочность, долговечность, коррозийные свойства и т.п.) и возможностью переработки в изделие (технологические критерии — коэффициент обрабатываемости резанием, сварки и обработки давлением и т.п.). Разновидности материалов: металлические материалы; неметаллические материалы (резина, […]

Новинка

Книга «Управление отказами оборудования. Часть II: Анализ и профилактика»

Характерные черты и свойства чугуна

Этот металлический сплав обладает такими свойствами:

  1. Физические свойства: удельный вес, действительная усадка, коэффициент линейного расширения. Например, содержание углерода в чугуне напрямую влияет на его удельный вес.
  2. Тепловые свойства. Теплопроводность обычно рассчитывают по правилу смещения. Для твердого состояния металла объемная теплоемкость составляет 1 кал/см3*оС. Если металл находится в жидком состоянии, то она примерно равна 1,5 кал/см3*оС.
  3. Механические свойства. Примечательно, что на эти свойства влияет как сама основа, так и форма и размеры графита. Серый чугун с перлитной основой является наиболее прочным, а с ферритной — самым пластичным. Пластинчатая форма графита характеризуется максимальным снижением прочности, в то время как у шаровидной формы это снижение минимально.
  4. Гидродинамические свойства. Наличие в составе марганца и серы влияет на вязкость материала. Также она имеет свойство увеличиваться, когда температура сплава переходит точку начала затвердевания.
  5. Технологические свойства. Этому металлу характерны отличные литейные качества, а также стойкость к износу и вибрации.
  6. Химические свойства. По мере убывания электродного потенциала структурные составляющие сплава располагаются в следующем порядке: цементит — фосфидная эвтектика — феррит.

На свойства сплава также оказывают влияние специальные примеси:

  • Белохромистый чугун
    Добавление серы значительно уменьшает текучесть и снижает тугоплавкость.
  • Фосфор позволяет изготовить изделия разнообразной формы, но при этом уменьшает его прочность.
  • Добавление кремния уменьшает температуру плавления материала, а также заметно улучшает литейные свойства. Содержание кремния в различном процентном соотношении дает возможность получить сплавы разного цвета: от ферритного до чисто белого.
  • Присутствие в сплаве марганца значительно повышает твердость и прочность материала, но при этом ухудшаются его литейные и технологические качества.
  • Кроме этих примесей в состав сплава могут также входить иные компоненты. В таком случае материалы называют легированными. Чаще всего к чугуну примешиваются титан, алюминий, хром, медь и никель.

История

Документированная история чугуна стартует с I тысячелетия до нашей эры:

  • Выплавку освоили китайцы и их соседи.
  • С V века до нашей эры начался период декоративного чугунного литья.
  • Через 600 лет в Китае появились монеты.

Появление сплава в Европе датируют XIV веком, в России – на двести лет позже. Интерес возрос в связи с пригодностью чугуна как материала пушек и ядер.

Турнирный мост Эглинтон[en] (завершено около в 1845 году), Норт-Эршир, Шотландия, построен из чугуна
Турнирный мост Эглинтон[en] (завершено около в 1845 году), Норт-Эршир, Шотландия, построен из чугуна

Со времен королевы Виктории самым популярным изделием «гражданского сегмента» у британцев стали камины.

Чугунный угольный утюг
Чугунный угольный утюг

Расцвет чугунного промысла в России приходится на XVIII век:

  • Появились мосты, рельсы.
  • На Урале изобретены чугунки – посуда номер один для русской печи. Позже их дополнили сковороды.
  • К концу века Россия стала мировым лидером по производству чугуна.

Оригинальный мост через Тей с севера (закончен в 1878 году)
Оригинальный мост через Тей с севера (закончен в 1878 году)

Мировую славу обрели ажурные изделия каслинских мастеров.

Способ формовки для литья художественных отливок сложных форм, придуманный каслинцами, востребован машиностроителями и сегодня.

Чугун

Чугун — это тоже металл, сплав железа с углеродом. Только доля углерода в нём превышает 2,14%.

Углерод в чугуне содержится в виде цементита (карбида железа) или графита (минерала, являющегося одной из модификаций углерода). Именно эти вещества и определяют цвет готового чугуна.

рисунок0.png

В зависимости от состояния и содержания углерода чугун различают на:

  • белый;

  • серый;

  • ковкий;

  • высокопрочный;

  • предельный чугун.

Виды чугуна

Типы чугуна

В общепринятой классификации разделяют по форме содержащегося углерода.

Белый

Белый чугун

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

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

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

Применяется в качестве сырья для получения ковкого.

Серый

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

Строение серого чугуна

Свойства и структура сильно зависят от условий остывания после кристаллизации.

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

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

Отливки из серого чугуна

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

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

В маркировке указываются символы СЧ и предельная прочность в кг/мм2: СЧ25. Наиболее распространены чугуны с содержанием C ниже 3,7%.

Ковкий

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

Изделия из ковкого чугуна

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

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

Высокопрочный

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

Труба ВЧШГ

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

Маркируются аналогично ковким, но с обозначением «ВЧ».

Передельный

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

Специальные

Специальные чугуны

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

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

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

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

Достоинства и недостатки материала

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

Достоинства и недостатки чугуна

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

Преимущества:

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

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

  3. Изделия прочны, с твердой поверхностью, износостойки.

  4. Используемые в машиностроении составы поддаются обработке резанием.

  5. Долговечны. В том числе в сантехнических, канализационных деталях.

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

Чугунное литье

Недостатки:

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

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

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

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

Области использования

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

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

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

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

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

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

В огромном количестве чугун используется как сырье на сталелитейных предприятиях.

Белый чугун

В состав этого сплава входит цементит, который на изломе белый. Из-за этого цвета он и получил такое название. Углерод в нем находится в связанном виде. Белый чугун одновременно с твердостью обладает хрупкостью. Из такого чугуна в основном изготавливают ковкие чугунные сплавы, получаемые путем отжига.

рисунок5.jpg

Индивидуальные свойства металла

Материал характеризуется определенными характеристиками. К ним относятся:

  • Отличие стали от чугуна
    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.

Области применения

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

Применение чугуна

Но есть области, где он пока незаменим и рентабелен:

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

  2. Сантехническая фурнитура, канализационные трубы.

  3. Декоративные элементы: ограды, решетки, ворота.

  4. Печи для домов, бань.

 

Понравилась статья? Поделитесь ей

А какая Ваша оценка этой статьи?

12345
2.9 из 5

Доска почета

Чтобы сюда попасть — пройдите тест

5 статей, которые вам необходимо прочесть…

  1. Чугуны и литейные стали
  2. Сварка меди
  3. Холодная газовая сварка чугуна
  4. Газовая сварка углеродистых сталей
  5. Сварка ниобия и сплавов на основе ниобия

Технология получения

Чугун, отлитый в виде чушек
Чугун, отлитый в виде чушек

Исходник получения сырья для металлургов – железные руды (горные породы с доминированием железа в составе).

Руду отправляют на обогатительные комбинаты, где из сырья удаляют часть «порожняка».

Полученный материал везут на металлургический комбинат.

Здесь им загружают доменные печи:

  • Добавляют топливо – кокс (продукт обработки каменного угля), известняк, брикетированную угольную пыль.
  • Плавят при высоких температурах.
  • В процессе восстановления из оксидов получают железо с внедренным в его структуру углеродом.

В результате плавки формируется чугун и шлак (смесь золы топлива, незадействованных флюсов, других продуктов).

При необходимости добавляются лигатуры. Они определяют физические и химические свойства материала.

Производство несложное, но экологически грязное.

Свойства и характеристики

Чугун обладает следующими свойствами:

  1. Физическими. К этим характеристикам относятся: удельный вес, коэффициент линейного расширения, действительная усадка. Удельный вес меняется в зависимости от содержания в материале углерода.
  2. Тепловыми. Теплопроводность материала принята рассчитывать по правилу смещения. Для твердого чугуна объемная теплоемкость равна 1 кал/см3*оС. Если чугун жидкий, то она равна примерно 1,5 кал/см3*оС.
  3. Механическими. Эти свойства зависят от самой основы, а так же от размеров и формы графита. Самым прочным считается серый чугун с перлитной основой, а самым пластичным — с ферритной основой. Максимальное снижение прочности наблюдается при форме графита «пластинка», а минимальное – при форме «шар».
  4. Гидродинамическими. Вязкость в чугуне меняется в зависимости от наличия марганца и серы. Так же она резко возрастает когда температура чугуна переходит точку начала затвердевания.
  5. Технологическими. Чугун обладает отличными литейными свойствами, стойкости к износу и вибрации.
  6. Химическими. По электродному потенциалу (по мере убывания) структурные составляющие чугуна располагаются в следующем виде: цементит — фосфидная эвтектика — феррит.

Отличия чугуна от стали по химическому составу и свойствам

otlichie-chuguna-ot-stali-po-himicheskomu-sostavu

На свойства чугуна влияют специальные примеси.

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

Помимо названных примесей в состав чугуна могут входить и другие компоненты. Тогда такие материалы будут называться легированными. Наиболее часто в чугун примешивают титан, хром, алюминий, никель и медь.

Далее вы узнаете, какие элементы входят в хим.состав чугуна.

О том, как сварить чугун электросваркой, расскажет видеоролик ниже:

Параметры чугуна

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

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

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

Чем отличается ковер от ковролина? Плюсы, минусы и как правильно выбрать

Плюсы и минусы углового электрокамина с эффектом живого огня
Следующая запись »

Серый чугун

Серый чугун — это сплав железа, кремния (от 1,2- 3,5 %) и углерода. Также в состав входят и постоянные примеси в виде магния, фосфора и серы. В составе такого сплава практически весь углерод находится в виде графита пластинчатой формы. Из-за наличия графита излом этого чугуна имеет серый цвет.

рисунок6.jpg

Структура и состав

Если рассматривать чугун как структурный материал, то он представляет собой металлическую полость с графитными включениями. Структура чугуна это в основном перлит, ледебурит и пластичный графит. При этом у каждого вида чугуна эти элементы преобладают в разных пропорциях или отсутствуют совсем.

По структуре чугуны бывают:

  • перлитные,
  • ферритные и
  • ферритно-перлитный.

Графит присутствует в этом материале в одной из форм:

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

Процесс производства чугуна

Получение чугуна проводят в доменных печах. Этот процесс является достаточно энергоёмким и затратным производством.

В качестве сырья используют 4 основных группы руд:

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

Технологический процесс проходит в несколько этапов

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

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

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

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

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

Процессы протекающие в печи

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

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

С + О2 = СО2 + выделение энергии

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

СО2 + С = 2СО

Fe2O3 + 3 CO = 2Fe + 3 CO2

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

Ковкий чугун

Ковкий чугун получают в результате длительного отжига белого чугуна. В результате данного процесса образуется графит хлопьевидной формы, который придает сплаву высокую пластичность, вязкость, твердость, ударную сопротивляемость. Свое название чугун получил благодаря повышенной пластичности и вязкости. Ковкий чугун довольно прочный с высоким ударным сопротивлением. Из такого металла изготавливают детали для автотехники.

рисунок7.jpg

Где используется чугун

Чугун применяется в двух качествах: базовый компонент при выплавке стали либо материал промышленной продукции.

Чугунная печь — буржуйка
Чугунная печь — буржуйка

Главная сфера применения сплава – машиностроение.

Технология, номенклатура продукции определяются видом чугуна.

Чугунная лестница
Чугунная лестница

Белый чугун

Углерод-цементит, формируется благодаря мгновенному охлаждению. Опознается по беловатому цвету излома, твердости, хрупкости. Сплав непригоден к механической обработке резанием. Идет на цельное износостойкое литье (прокатные валки, детали мельничных, дробильных механизмов) и как исходник ковких видов чугуна.

Микроструктура белого чугуна при 100-кратном увеличении
Микроструктура белого чугуна при 100-кратном увеличении

Серый

Основа структуры – слоистый графит, придающий сероватость. Поддается механической обработке, однако прочность, пластичность невысоки.

Достоинства: хорошие антифрикционные, демпфирующие свойства, мини-чувствительность к аккумуляторам напряжения, текучесть, минимум дефектов при усадке.

Используется как материал отливок сложной конфигурации с толщиной стенок до 5 см.

Из него делают прокатные станы, маховики, колонны, станины, канализационно-водопроводный ассортимент (люки, трубы, фурнитура).

Чугунная крышка канализационного люка
Чугунная крышка канализационного люка

Ковкий

Результат термообработки белого чугуна с хлопьевидным графитом. Такая структура обеспечивает прочность, пластичность, хорошую обрабатываемость отливок, отсутствие внутреннего напряжения.

Благодаря этому сплав нашел применение как материал деталей и элементов, функционирующих в условиях ударов и вибрации: постамент под массивное оборудование, опоры автострад, железнодорожных мостов, коленвалы дизельных двигателей.

Мост через Северн — первый в мире чугунный мост
Мост через Северн — первый в мире чугунный мост

Специальные

Сплавы с дополнительными характеристиками, полученными легированием, отжигом и охлаждением по специальной технологии.

Подразделяются на:

  • ферросплавы;
  • коррозие-, износо-, жаростойкие;
  • антифрикционные;
  • с электромагнитными свойствами;
  • декоративные.

Состав сплавов, технология регламентируются стандартами.

Высокопрочные марки становятся механизмом турбин, коленвалов, тракторных, автомобильных двигателей, шестерней, прокатных валков.

Антифрикционные марки идут на подшипники, втулки топливных насосов, клапаны, кольца поршней автомобилей.

Из декоративных выковывают ограды, колонны, фонтаны, мелкую пластику.

Чугунный забор
Чугунный забор

Особенности сплава

Главная особенность чугуна скрыта в процессе его изготовления. Дело в том, что у разных видов этого сплава температура плавления достигает 1200ºС, в то время как у стали она составляет 1500 ºС. На этот фактор влияет слишком высокое содержание углерода. Атомы железа и углерода между собой имеют не очень тесные связи.

Состав и свойства

Когда происходит выплавка, атомы углерода не могут целиком внедриться в молекулярную решетку железа, из-за чего чугунный сплав приобретает хрупкость. В связи с этим его не используют в производстве деталей, которые будут постоянно подвергаться нагрузке.

Этот материал относится к отрасли черной металлургии и по своим характеристикам схож со сталью. Изделия из чугуна и стали нашли широкое применение в повседневной жизни, и оно является целиком оправданным.

Если сравнивать характеристики этих металлов, можно сделать следующие заключения:

  1. Стоимость стальных изделий выше стоимости чугунных.
  2. Различия в цвете: чугун темный и матовый, а сталь — светлая и блестящая.
  3. Сталь хуже поддается литью, но, в отличие от чугуна, легче поддается ковке и сварке.
  4. Сталь обладает большей прочностью, нежели чугунный сплав.
  5. Сталь тяжелее по весу.
  6. В ней содержание углерода ниже, чем в чугуне.

Производственные технологии

Как известно, чугун производится в специальных доменных печах. Основным сырьем для его получения служит железная руда. Технологический процесс изготовления состоит в восстановлении оксидов железной руды и получении в результате этого иного материала — чугуна. Для его изготовления используются такие виды топлива, как кокс, термоантрацит, природный газ.

Для производства одной тонны чугуна требуется около 550 килограмм кокса и приблизительно тонна воды. Объемы загружаемой в печь руды будут зависеть от содержания в ней железа. Как правило используют руду, в составе которой содержится железа не менее 70%. Все дело в том, что экономически нецелесообразно использовать меньшую его концентрацию.

Первым этапом производства чугуна является его выплавка. В доменную печь засыпается руда, а затем — коксующийся уголь, который необходим для нагнетания и поддержания требуемой температуры внутри шахты печи. Эти составляющие во время горения принимают активное участие в протекающих химических реакциях в качестве восстановителей железа.

Недостатки чугунного сплава

Тем временем в печь погружается флюс, который выступает в роли катализатора. Ускоряя плавку пород, он тем самым поддерживает скорейшее высвобождение железа. Немаловажно знать, что перед загрузкой в печь руда проходит необходимую предварительную обработку. Она измельчается на дробильной установке, поскольку более мелкие частицы плавятся быстрее. Затем ее промывают, чтобы удалить частицы, не содержащие металл. Далее сырье подвергается обжигу, вследствие чего из него извлекается сера и другие инородные компоненты.

На втором этапе производства в заполненную и готовую к эксплуатации печь подается через специальные горелки природный газ. Кокс участвует в разогреве сырья. Происходит выделение углерода, который, соединяясь с кислородом, образует оксид. Он, в свою очередь, способствует восстановлению железа из руды.

При увеличении объема газа в печи снижается скорость протекания химической реакции. Она может и совсем остановиться при достижении определённого соотношения газа. Углерод проникает в сплав и соединяется с железом, при этом образуя чугун. Нерасплавленные элементы остаются на поверхности и вскоре удаляются. Такие отходы называются шлаком. Его используют для изготовления других материалов.

Высокопрочный чугун

Такой сплав имеет в своей структуре шаровидный графит, который образуется в процессе кристаллизации. В отличие от пластинчатого, шаровидный графит не сильно ослабляет металлическую основу, что улучшает прочность чугуна. Поэтому и название у него – высокопрочный.

рисунок8.jpg

Предельный чугун.

Данный вид чугуна подвергается дальнейшей переработке и не используется в качестве самостоятельного металла.

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

Разница стали и чугуна заключается в том, что последний не поддается обработке путем сварки и ковки. Все изделия изготавливаются только путем литья.

Способы изготовления 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. Образование чугуна происходит за счет опускания железа в более горячую часть домны и растворения в нем углерода.

рисунок9.jpg

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

рисунок10.jpg

Классификация

Чугун классифицируют по нескольким основаниям:

  • По габаритам и форме вкраплений графита. Слоистые, сфероидные, вермикулярные, хлопья.
  • По виду углерода. Графитовые, цементитовые.
  • По технологии выработки. Серые, белые, передельные.
  • По наличию присадок. Рядовые и легированные. Легированные – это сплавы чугуна с металлами (молибден, никель, хром, титан, другие). Сплавы с такими металлами придают изделиям пластичность, стойкость к износу, разрушению, коррозии.


Микроструктура белого чугуна

Характеристики продукта закладываются на стадии производства.

Маркировка чугуна

В промышленности разновидности чугуна маркируются следующим образом:

  • передельный чугун — П1, П2;
  • передельный чугун для отливок (передельно-литейный) — ПЛ1, ПЛ2;
  • передельный фосфористый чугун — ПФ1, ПФ2, ПФ3;
  • передельный высококачественный чугун — ПВК1, ПВК2, ПВК3;
  • чугун с пластинчатым графитом — СЧ (цифры после букв «СЧ», обозначают величину временного сопротивления разрыву в кгс/мм).

Антифрикционный чугун:

  • антифрикционный серый — АЧС;
  • антифрикционный высокопрочный — АЧВ;
  • антифрикционный ковкий — АЧК;
  • чугун с шаровидным графитом для отливок — ВЧ (цифры после букв «ВЧ» означают временное сопротивление разрыву в кгс/мм и относительное удлинение (%);
  • чугун легированный со специальными свойствами — Ч.

Разновидности чугуна

В зависимости от химического состава сплава и содержания в нем форм графита, цементита и иных компонентов различают следующие типы чугуна:

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

Различия между чугуном и сталью

Температура плавления чугуна и стали
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.
Источники

  • https://armstroy-nn.ru/useful_info/article/chem-otlichaetsya-chugun-ot-stali/
  • https://eam.su/chuguny.html
  • https://tokar.guru/hochu-vse-znat/chto-takoe-chugun-sostav-i-soderzhanie-ugleroda-v-splave.html
  • https://jgems.ru/metally/chugun
  • https://nauka.club/materialovedenie/chugun.html
  • https://SoproMats.ru/materialyi/metallyi/chugun/
  • https://obrabotkametalla.info/stal/sostava-splava-chuguna-i-otlichie
  • https://weldering.com/harakteristika-klassifikaciya-chugunov
  • http://stroyres.net/metallicheskie/vidyi/chyornyie/chugun/ponyatie-osobennosti.html
  • https://stpoyka.ru/chugun-splav-ego-svoystva-harakteristiki-vidy-i-primenenie/
  • https://metallicheckiy-portal.ru/articles/chermet/raznoe/chto-takoe-chugun-sostav-i-soderzhanie-ugleroda-v-splave/

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Сайт каталог о камнях / gorodgranit