Введение в чугун:история, типы, свойства и использование

Чугун, универсальный металл, имеет множество уникальных применений в коммерческом и промышленном мире

Присутствие железа в повседневной жизни началось примерно в 1200 г. до н.э., охватывающее широкий спектр применений от сельскохозяйственных орудий до военного оружия. Кузнецы стали важной профессией, работая с железом, чтобы изменить его свойства и превратить материал в инструменты. В каждой деревне и городе должна была быть кузница, где производились серпы, лемеха, гвозди, мечи, подсвечники и многое другое.

Открытие ценности железа привело к тому, что стало известно как железный век из-за преобладания этого материала в социальных и военных целях. Затем последовала еще одна веха для металлов:промышленная революция изменила способ производства металлов и их переработки в продукты, включая железо.

Типы железа

Существует два основных типа производимого железа:кованое железо и чугун. Среди них чугун включает в себя собственное семейство металлов.

Кованое железо

Первым типом железа, произведенного и обработанного кузнецами, было кованое железо. Это практически чистое элементарное железо (Fe), которое нагревается в печи перед ковкой (обработкой) молотками на наковальне. Ковка железа удаляет большую часть шлака из материала и сваривает частицы железа вместе.

Во время промышленной революции и связанного с ней ускорения строительных работ было обнаружено новое применение кованого железа. Его высокая прочность на растяжение (сопротивление разрушению при растяжении) сделала его идеальным для использования в балках в крупных строительных проектах, таких как мосты и высотные здания. Однако в начале 20 века от использования кованого железа для этой цели в значительной степени отказались, когда были разработаны стальные изделия с более высокими характеристиками, чем железо, для применения в строительстве.

Кованое железо прославилось декоративными изделиями. В церквях 15 и 16 веков есть прекрасные изделия из кованого железа, изготовленные искусными мастерами. В современном мире перила, двери и скамьи по-прежнему изготавливаются из кованого железа на заказ.

Чугун

Чугун получают путем плавки железоуглеродистых сплавов с содержанием углерода более 2%. После плавки металл заливают в форму. Основное различие в производстве кованого железа и чугуна заключается в том, что чугун не обрабатывается молотками и инструментами. Имеются различия и по составу — чугун содержит 2—4 % углерода и других сплавов и 1—3 % кремния, что улучшает разливочные характеристики жидкого металла. Также могут присутствовать небольшие количества марганца и некоторых примесей, таких как сера и фосфор. Различия между кованым железом и чугуном также можно найти в деталях химической структуры и физических свойств.

Хотя и сталь, и чугун содержат следы углерода и выглядят одинаково, между этими двумя металлами есть существенные различия. Сталь содержит менее 2% углерода, что позволяет конечному продукту затвердевать в виде единой микрокристаллической структуры. Более высокое содержание углерода в чугуне означает, что он затвердевает как гетерогенный сплав и, следовательно, имеет более одной микрокристаллической структуры, присутствующей в материале.

Именно сочетание высокого содержания углерода и присутствия кремния придает чугуну превосходную литейную способность. Различные типы чугуна производятся с использованием различных методов термообработки и обработки, включая серый чугун, белый чугун, ковкий чугун, ковкий чугун и чугун с уплотненным графитом.

Серый чугун

Серый чугун характеризуется чешуйчатой ​​формой молекул графита в металле. При разрушении металла разрыв происходит по чешуйкам графита, что придает ему серый цвет на поверхности излома металла. Название серого чугуна происходит от этой характеристики.

Можно контролировать размер и матричную структуру графитовых чешуек во время производства, регулируя скорость охлаждения и состав. Серый чугун не такой пластичный, как другие формы чугуна, и его прочность на растяжение также ниже. Однако он является лучшим теплопроводником и имеет более высокий уровень гашения вибрации. Его демпфирующая способность в 20–25 раз выше, чем у стали, и выше, чем у всех других чугунов. Серый чугун также легче обрабатывать, чем другие чугуны, а его износостойкие свойства делают его одним из самых массовых изделий из чугуна.

Наши изделия для хардскейпа изготовлены из серого чугуна. Гашение вибрации и износостойкость — свойства, которые делают этот материал подходящим для многих уличных применений. Сырое серое железо также образует патину, которая защищает его от разрушительной коррозии даже на открытом воздухе.

Белое железо

При правильном содержании углерода и высокой скорости охлаждения атомы углерода соединяются с железом, образуя карбид железа. Это означает, что в затвердевшем материале практически нет свободных молекул графита. При резке белого чугуна поверхность излома кажется белой из-за отсутствия графита. Микрокристаллическая структура цементита твердая и хрупкая, обладает высокой прочностью на сжатие и хорошей износостойкостью. В некоторых специализированных применениях желательно иметь белое железо на поверхности изделия. Этого можно достичь, используя хороший проводник тепла для изготовления части пресс-формы. Это позволит быстро отвести тепло от расплавленного металла из этой конкретной области, в то время как остальная часть отливки будет остывать медленнее.

Одним из самых популярных сортов белого чугуна является Ni-Hard Iron. Добавление сплавов хрома и никеля придает этому продукту превосходные свойства для применения с малой ударной нагрузкой и истиранием при скольжении.

Белые чугуны и никель-твердые чугуны подпадают под классификацию сплавов, называемую ASTM A532; «Стандартные технические условия на износостойкие чугуны».

Ковкое железо

Белое железо может быть дополнительно переработано в ковкое железо в процессе термической обработки. Расширенная программа нагрева и охлаждения приводит к разрушению молекул карбида железа, высвобождая свободные молекулы графита в железо. Различные скорости охлаждения и добавление сплавов позволяют получить ковкий чугун с микрокристаллической структурой.

Ковкий чугун (Чугун с шаровидным графитом)

Ковкий чугун, или чугун с шаровидным графитом, приобретает особые свойства за счет добавления в сплав магния. Присутствие магния приводит к тому, что графит принимает сфероидальную форму, а не чешуйки серого железа. Контроль состава очень важен в производственном процессе. Небольшие количества примесей, таких как сера и кислород, реагируют с магнием, влияя на форму молекул графита. Различные сорта ковкого чугуна формируются путем изменения микрокристаллической структуры вокруг графитового сфероида. Это достигается за счет процесса литья или термической обработки в качестве последующего этапа обработки.

Поскольку ковкий чугун деформируется при ударе, а не разлетается на осколки, мы используем этот материал для изготовления наших чугунных боллардов. Ударопрочный профиль ковкого чугуна делает его хорошим чугуном для боллардов вблизи транспортных средств.

Чугун с компактным графитом

Железо с компактным графитом имеет структуру графита и связанные с ним свойства, которые представляют собой смесь серого и белого чугуна. Микрокристаллическая структура формируется вокруг тупых чешуек графита, которые соединены между собой. Сплав, такой как титан, используется для подавления образования сфероидального графита. Чугун с компактным графитом имеет более высокую прочность на растяжение и улучшенную пластичность по сравнению с серым чугуном. Микрокристаллическую структуру и свойства можно регулировать путем термообработки или добавления других сплавов.

Обзор составов чугуна

Таблица, разработанная в Справочнике инженера, показывает различные диапазоны состава для различных типов чугуна:

ДИАПАЗОН СОСТАВОВ ДЛЯ ТИПИЧНЫХ НЕЛЕГИРОВАННЫХ ЧУГУНОВ
ЗНАЧЕНИЕ В ПРОЦЕНТАХ (%)

ТИП ЖЕЛЕЗА

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

Компактный графит

2,5–4,0

1,0–3,0

0,2–1,0

0,01–0,03

0,01–0,1

Податливый (белоснежный)

2,0–2,9

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

ТИП ЖЕЛЕЗА

УГЛЕРОД

Серый

2,5–4,0

Пластичный

3,0–4,0

Компактный графит

2,5–4,0

Податливый (белоснежный)

2,0–2,9

Белый

1,8–3,6

ТИП ЖЕЛЕЗА

КРЕМНИЙ

Серый

1,0–3,0

Пластичный

1,8–2,8

Компактный графит

1,0–3,0

Податливый (белоснежный)

0,9–1,9

Белый

0,5–1,9

ТИП ЖЕЛЕЗА

МАРГАНЕЦ

Серый

0,2–1,0

Пластичный

0,1–1,0

Компактный графит

0,2–1,0

Податливый (белоснежный)

0,15–1,2

Белый

0,25–0,8

ТИП ЖЕЛЕЗА

СЕРА

Серый

0,02–0,25

Пластичный

0,01–0,03

Компактный графит

0,01–0,03

Податливый (белоснежный)

0,02–0,2

Белый

0,06–0,2

ТИП ЖЕЛЕЗА

ФОСФОР

Серый

0,02–1,0

Пластичный

0,01–0,1

Компактный графит

0,01–0,1

Податливый (белоснежный)

0,02–0,2

Белый

0,06–0,2

Механические свойства чугуна

Механические свойства материала показывают, как он реагирует на определенные нагрузки, что помогает определить его пригодность для различных применений. Спецификации устанавливаются такими организациями, как Американское общество по испытаниям и материалам (ASTM), чтобы пользователи могли приобретать материалы с уверенностью в том, что они соответствуют требованиям для их применения. Наиболее часто используемая спецификация на серый чугун — ASTM A48.

Чтобы квалифицировать литые изделия в соответствии с их спецификациями, стандартной практикой является отливка испытательного стержня вместе с спроектированными отливками. Затем к этому тестовому стержню применяются тесты ASTM, и результаты используются для оценки всей партии отливок.

Технические характеристики также важны при сварке чугунных деталей. Сварной шов должен соответствовать механическим свойствам свариваемого материала или превосходить их, иначе могут возникнуть трещины и отказы.

Несколько общих механических свойств чугуна включают:

• Твердость – устойчивость материала к истиранию и вдавливанию.
• Прочность – способность материала поглощать энергию.
• Пластичность – способность материала деформироваться без разрушения.
• Эластичность — способность материала возвращаться к исходным размерам после деформации.
• Гибкость — способность материала деформироваться при сжатии без разрыва.
• Прочность на растяжение — максимальное продольное напряжение, которое материал может выдержать без разрыва.
• Усталостная прочность – максимальное напряжение, которое материал может выдержать в течение заданного количества циклов без разрушения.

В этой таблице приведены некоторые ключевые механические свойства различных марок чугуна. Для получения дополнительной информации см. «Железные сплавы», отличный справочный документ Американского литейного общества.

ТВЕРДОСТЬ ПО БРИНЕЛЛЮ

ПРОЧНОСТЬ НА РАСТЯЖЕНИЕ

МОДУЛЬ УПРУГОСТИ

% УДЛИНЕНИЯ (НА 50 ММ)

Серый чугун класса 25

187

29,9 фунтов на квадратный дюйм

16,1 млн фунтов на квадратный дюйм

–

Серый чугун класса 40

235

41,9 тыс.фунтов/кв.дюйм

18,2 млн фунтов на квадратный дюйм

–

Чугун марки 60-40-18

130–170

60 тысяч фунтов/кв. дюйм

24,5 млн фунтов на квадратный дюйм

–

Чугун ковкий марки 129-90-02

240–300

120 тысяч фунтов на квадратный дюйм

25,5 млн фунтов на квадратный дюйм

–

CGI класс 250

179 максимум

36,2 тысячи фунтов/кв.дюйм мин

3

CGI класс 450

207–269

65,2 тысячи фунтов/кв.дюйм мин

1

<сильный>

ТВЕРДОСТЬ ПО БРИНЕЛЛЮ

Серый чугун класса 25

187

Серый чугун класса 40

235

Чугун марки 60-40-18

130–170

Чугун ковкий марки 129-90-02

240–300

CGI класс 250

179 максимум

CGI класс 450

207–269

<сильный>

ПРОЧНОСТЬ НА РАСТЯЖЕНИЕ

Серый чугун класса 25

29,9 фунтов на квадратный дюйм

Серый чугун класса 40

41,9 тыс.фунтов/кв.дюйм

Чугун марки 60-40-18

60 тысяч фунтов/кв. дюйм

Чугун ковкий марки 129-90-02

120 тысяч фунтов на квадратный дюйм

CGI класс 250

36,2 тысячи фунтов/кв.дюйм мин

CGI класс 450

65,2 тысячи фунтов/кв.дюйм мин

<сильный>

МОДУЛЬ УПРУГОСТИ

Серый чугун класса 25

16,1 млн фунтов на квадратный дюйм

Серый чугун класса 40

18,2 млн фунтов на квадратный дюйм

Чугун марки 60-40-18

24,5 млн фунтов на квадратный дюйм

Чугун ковкий марки 129-90-02

25,5 млн фунтов на квадратный дюйм

CGI класс 250

CGI класс 450

<сильный>

% УДЛИНЕНИЯ (НА 50 ММ)

Серый чугун класса 25

–

Серый чугун класса 40

–

Чугун марки 60-40-18

–

Чугун ковкий марки 129-90-02

–

CGI класс 250

3

CGI класс 450

1

Общие области применения чугуна

Различные свойства различных типов чугуна приводят к тому, что каждый тип подходит для конкретных применений.

Применения серого железа

Одной из ключевых характеристик серого чугуна является его способность противостоять износу даже при ограниченной подаче смазки (например, верхние стенки цилиндров в блоках цилиндров). Серый чугун используется для изготовления блоков двигателей и головок цилиндров, коллекторов, газовых горелок, заготовок редукторов, кожухов и корпусов.

Аппликации из белого железа

Процесс охлаждения, используемый для производства белого чугуна, приводит к получению хрупкого материала, очень устойчивого к износу и истиранию. По этой причине он используется для изготовления мельничных футеровок, сопел для дробеструйной очистки, железнодорожных тормозных колодок, корпусов шламовых насосов, валков прокатных станов и дробилок.

Ni-Hard Iron специально используется для изготовления лопастей смесителя, шнеков и гребенок, вкладышей для шаровых мельниц, угольных желобов и направляющих для волочения проволоки.

Применение ковкого чугуна

Сам ковкий чугун можно разделить на несколько марок, каждая из которых имеет свои характеристики и наиболее подходящие области применения. Он легко обрабатывается, обладает хорошей усталостной прочностью и пределом текучести, а также износостойким. Однако его наиболее известная особенность — пластичность. Ковкий чугун можно использовать для изготовления поворотных кулаков, лемехов, коленчатых валов, шестерен для тяжелых условий эксплуатации, компонентов подвески автомобилей и грузовиков, гидравлических компонентов и автомобильных дверных петель.

Области применения ковкого железа

Разные сорта ковкого железа соответствуют разным микрокристаллическим структурам. Особыми характеристиками, которые делают ковкий чугун привлекательным, являются его способность удерживать и хранить смазочные материалы, неабразивные частицы износа и пористую поверхность, которая улавливает другие абразивные частицы. Ковкий чугун используется для изготовления подшипниковых поверхностей для тяжелых условий эксплуатации, цепей, звездочек, шатунов, компонентов трансмиссии и осей, железнодорожного подвижного состава, а также сельскохозяйственной и строительной техники.

Применение чугуна с компактным графитом

Железо с компактным графитом начинает заявлять о себе в коммерческих целях. Сочетание свойств серого и белого чугуна создает продукт с высокой прочностью и теплопроводностью, подходящий для блоков и рам дизельных двигателей, гильз цилиндров, тормозных дисков для поездов, выпускных коллекторов и зубчатых пластин в насосах высокого давления.

Обработка и чистовая обработка

Свойства твердости чугуна требуют тщательного выбора материалов для станков. Твердые сплавы с покрытием эффективны в условиях производственной обработки, но по мере совершенствования технологий постоянно разрабатываются новые материалы.

Отделка поверхности изделий из чугуна сильно различается в зависимости от использования. Несколько распространенных приложений:

• Гальваническое покрытие
• Горячее погружение
• Термическое напыление
• Диффузионное покрытие
• Конверсионное покрытие
• Эмалирование фарфора
• Жидкое органическое покрытие
• Сухое порошковое органическое покрытие

Чугун и будущее

С момента своего раннего использования более 3000 лет назад железо оставалось неотъемлемой частью человеческого общества. Производство железа прошло долгий путь от столетий обработки железа кузнецами до изобретения чугуна в индустриальную эпоху.

С тех пор кованое железо в значительной степени устарело, за исключением декоративных целей. Напротив, чугун все еще совершенствуется с точки зрения состава, микроструктуры и механических свойств, продолжая оставлять свой след в современном мире.

Чтобы получить дополнительную информацию о металлических отливках или запросить расценки на индивидуальный металлический проект, свяжитесь с нами.