Чугун: виды, состав, примеси и их влияние — полное руководство

Чугун

Чугун получают переплавом чугунного железа с коксом и известняком в печи типа купола. Это сплав железа и углерода. Содержание углерода в чугуне варьируется от 1,7% до 4,5%. Также содержит небольшое количество кремния, серы, марганца и фосфора.

Углерод присутствует в двух формах:

1. Свободный углерод (графит)
2. Связанный углерод (цементит)

Важные свойства чугуна для инженерных целей:

1. Низкая стоимость
2. Хорошие литейные свойства
3. Высокая пределная прочность на сжатие
4. Износостойкость
5. Отличная обрабатываемость режением

Предел прочности чугуна на сжатие выше, чем на растяжение.

Значения предельных прочностей чугуна:

1. На растяжение — 100–200 Н/мм²
2. На сжатие — 400–1000 Н/мм²
3. На сдвиг — 120 Н/мм²

Виды чугуна

Виды чугуна для инженерных целей:

1. Серый чугун
2. Белый чугун
3. Охлажденный чугун
4. Пестрый чугун
5. Ковкий чугун
6. Шаровидного графита чугун (модулярный)
7. Легированный чугун

Серый чугун

Серый чугун имеет следующий состав:

Углерод — 3–3,5%, Кремний — 1–2,75%, Марганец — 0,40–1%, Фосфор — 0,15–1%, Сера — 0,02–0,15%, остальное — железо.

Серый цвет обусловлен наличием углерода в виде свободного графита. Серый чугун легко обрабатывается режением: высокая прочность на сжатие, низкая на растяжение, нет вязкости.

Хорошее свойство: свободный графит в структуре работает как смазка. Поэтому он идеален для деталей со скользящим трением.

Литье из серого чугуна широко используется для корпусов станков, труб и фитингов, цилиндровых блоков автомобилей и сельхозтехники.

Белый чугун

Белый чугун дает белый перелом и имеет следующий состав:

Углерод — 1,75–2,3%, Кремний — 0,85–1,2%, Марганец — 0,10–0,40%, Фосфор — 0,05–0,20%, Сера — 0,12–0,35%

Белый цвет из-за того, что углерод в виде цементита. Цементит — тверчайшая фаза железа, вызывает быстрый охлаждение расплава. Белый чугун имеет высокую прочность на растяжение и низкую на сжатие, поэтому его нережуще обрабатывать.

Используется для второстепенных литейных изделий и там, где требуется твердое покрытие — например, рабочая поверхность колес вагонов. В производстве ковкого чугуна и кованой стали белый чугун служит сырьем.

Охлажденный чугун

Это белый чугун, полученный быстрым охлаждением расплава. Быстрое охлаждение называется охлаждением, а получившийся чугун — охлажденным. Все литейные формы контактируют с расплавом холодным песком снаружи. Но на большинстве литьев эта твердость проникает на очень маленькую глубину (менее 1 мм).

Иногда охлаждение делают намеренно, иногда оно происходит случайно на значительной глубине. Намеренное охлаждение делают вставкой железных или стальных чуков в форму. Когда расплав контактирует с чуком, тепло быстро отводится и образуется твердая поверхность.

Чуки используют на любых гранях литья, которые должны быть твердыми для устойчивости к износу и трению. Процесс охлаждения применяется при литье ролей для дробления зерна и пластин щековых дробилок. Беговая поверхность колес железнодорожных вагонов также охлаждают.

Пестрый чугун

Промежуточный продукт между серым и белым чугуном по составу, цвету и свойствам. Получается при литье, где определенные изнашиваемые поверхности были охлаждены.

Ковкий чугун

Получают из белого чугуна подходящей термической обработкой (отжигом). Процесс отжига разделяет связанный углерод белого чугуна на нодулы свободного графита.

Ковкий чугун вязок и может гнуться без разручения сечения. Его прочность на растяжение выше, чем у серого чугуна, и обладает отличными режущими свойствами.

Используется для изготовления машинных деталей, где стальные ковки были бы дорогими и требуется достаточная точность металла.

Пример: втулки колес телег, мелкие фитинги ж/д подвижного состава, тормозные опоры, детали сельхозмашин, трубные фитинги, петли дверей, замки и т.д.

Шаровидного графита чугун (Нодулярный/Дуктильный)

Также известен как дуктильный чугун, чугун со сфероидальным графитом (S.G.) или высокопрочный чугун. Производится добавлением магния в расплавленный чугун. Магний преобразует пластинчатый графит чугуна в сферическую или нодулярную форму.

Механические свойства значительно улучшаются. Нодулярный чугун ведет себя как сталь. Обычно используется для литья, работающего под давлением: гидроцилиндры, головки блоков цилиндров, валы прокатных станков и центробежные литья.

Легированный чугун

Вышеописанные чугуны — обычные (простые). Легированный чугун производится добавлением никеля, хрома, молибдена, меди, кремния и марганца.

Эти легирующие добавки дают большую прочность и улучшают эксплуатационные свойства.

Состав легированного чугуна:

1. Углерод — 0,02%
2. Кремний — 0,15%
3. Марганец — 0,03%
4. Фосфор — 0,12%
5. Сера — 0,02%
6. Шлак — 3% (по массе), остальное — железо

Влияние примесей на чугун

Чугун содержит небольшие проценты кремния, серы, марганца и фосфора. Их влияние:

1. Кремний
2. Сера
3. Марганец
4. Фосфор

Кремний

Присутствует до 4%. Содействует образованию свободного графита, делая чугун мягким и легко обрабатываемым. Обеспечивает качество литья без газовых пор за счет высокой сродства к кислороду.

Сера

Делает чугун твердым и хрупким. Поскольку избыток серы дает некачественные литья, ее содержание держат значительно ниже 0,1% для большинства литейных целей.

Марганец

Делает чугун белым и твердым. Обычно держат ниже 0,75%. Помогает контролировать вредное воздействие серы.

Фосфор

Повышает текучесть и жидкотекучесть, но вызывает хрупкость. Редко допускают более 1%. Фосфористые чугуны полезны для литья сложных форм и легких инженерных литьев, когда важна дешевизна.

Свойства чугуна

Основные свойства:

1. Хорошая коррозионная стойкость — применяется для водопроводных труб.
2. Не притягивается магнитом.
3. Температура плавления ~1250 °C.
4. Удельный вес ~7,5.
5. Прочность на растяжение ~150 Н/мм², на сжатие ~600 Н/мм² — хорошо работает на сжатие.
6. Размягчается в соленой воде и усаживается при охлаждении.
7. Непригоден для ковки из-за отсутствия пластичности.

Преимущества чугуна

1. Хорошая обрабатываемость и литейные свойства.
2. Хорошая износостойкость и демпфирование вибраций.
3. Выдерживает большие нагрузки, хорошая коррозионная стойкость.
4. Низкая прочность на растяжение и удлинение.
5. Можно лить сложные формы без дорогой механической обработки.
6. Низкая стоимость.

Недостатки чугуна

1. Низкая прочность на растяжение.
2. Чувствительность к сечению из-за медленного охлаждения толстых стенок.
3. Внезапный и полный отказ деталей без стадии текучести.
4. По сравнению со сталью — плохая обрабатываемость (в оригинале ошибка: чугун обрабатывается лучше стали, вероятно имелось в виду — хуже ковается).
5. Высокая хрупкость.

Применение чугуна

1. Изготовление труб для перекачки жидкостей.
2. Различные машины и механизмы.
3. Автозапчасти.
4. Якоря для судов.
5. Кухонная посуда: кастрюли, сковороды, утварь.

---

Вот и всё, спасибо за чтение. Если статья полезна — поделитесь с друзьями. Вопросы по «типам чугуна» — в комментариях.

Подпишитесь на рассылку для уведомлений о новых статьях: