Чугунные литья: основы и промышленное значение

Открытие ценности железа привело к так называемому Железному веку из-за доминирования этого материала в социальных и военных применениях. Есть еще одна веха для металлов — промышленная революция изменила способ производства металлов и их превращения в продукты, включая железо.

Чугун

Чугун производится путем плавки железа и углеродных сплавов, имеющих углеродное содержание более 2%. После плавки металл разливают в форму. Главное различие в производстве между кованым железом и чугуном заключается в том, что чугун не обрабатывается молотами и инструментами. Также есть различия в составе — чугун содержит 2–4% углерода и других сплавов и 1–3% кремния, что улучшает литейные свойства расплавленного металла. Также могут быть небольшие количества марганца и некоторые примеси, такие 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 следовые количества углерода и выглядят похоже, между этими двумя металлами есть существенные различия. Сталь содержит менее 2% углерода, что позволяет конечному продукту затвердевать в единой микрокристаллической структуре. Более высокое содержание углерода в чугуне означает, что он затвердевает как гетерогенная сплав, и поэтому в материале присутствует более одной микрокристаллической структуры.

Это сочетание высокого содержания углерода и присутствия кремния дает чугуну отличную литейность. Различные типы чугуна производятся с использованием различных методов термической обработки и обработки, включая серый, белый, ковкий, ковкий и компактно-графитный.

Чугунный мост

Конструктивные детали из чугуна изготавливаются плавкой металла и разливки его в форму.

Серый чугун

Серый чугун характеризуется хлопьевидной формой частиц графита в металле. Когда металл ломается, разрыв происходит вдоль графитовых хлопьев, давая ему серый цвет на поверхности разрушенного металла. Название серый чугун происходит от этой характеристики.

Можно контролировать размер и структуру матрицы графитовых хлопьев во время производства, регулируя скорость охлаждения и состав. Серый чугун не такой пластичный, как другие формы чугуна, и его предел прочности на растяжение также ниже. Однако он лучший теплопроводник и имеет более высокий уровень демпфирования вибраций. У него способность к демпфированию в 20–25 раз выше, чем у стали, и превосходит все остальные чугуны. Серый чугун также легче обрабатывается, чем другие чугуны, и его износостойкость делает его одним из чугунных продуктов с наибольшим объемом.

Наши ландшафтные изделия сделаны из серого чугуна. Демпфирование вибраций и износостойкость — свойства, делающие его подходящим материалом для многих уличных применений. Сырой серый чугун также производит патину, защищающую его от разрушающей коррозии даже снаружи.

Белый чугун

При соответствующем углеродном содержании и высокой скорости охлаждения атомы углерода соединяются с железом для образования карбида железа. Это означает, что в затвердевающем материале мало или нет свободных частиц графита. Когда белый чугун сдирается, трещиноватая поверхность кажется белой из-за отсутствия графита. Микрокристаллическая структура цементита тверда и хрупка с высокой прочностью на сжатие и хорошей абразивной устойчивостью. В некоторых специализированных применениях желательно, чтобы на поверхности продукта был белый чугун. Это можно достичь, используя хороший теплопроводник для изготовления частей формы. Это быстро удалит тепло от расплавленного металла из этой конкретной области, в то время как остальная часть литья остывает медленнее.

Один из самых популярных типов белого чугуна — Ni-Hard Iron. Добавление хрома и никелевых сплавов дает этому продукту отличную производительность в применениях с низким ударным скользящим износом.

Белый чугун и твердый ни-чугун попадают в классификацию сплавов в ASTM A532; «Стандартная спецификация для абразивноустойчивого чугуна».

Ковкий чугун

Белый чугун может быть дополнительно обработан в ковкий чугун процессом термической обработки. Обширная программа нагрева и охлаждения разрушает частицы карбида железа, освобождая свободные частицы графита в железо. Благодаря разным скоростям охлаждения и добавлению сплавов получается ковкий чугун с микрокристаллической структурой.

Ковкий чугун (ковкий чугун)

Ковкий чугун, или ковкий чугун, получает свои особые свойства за счет добавления магния в сплав. Наличие магния заставляет графит формировать сферическую форму в отличие от хлопьев серого чугуна. Контроль состава очень важен в производственном процессе. Небольшие количества примесей, таких как сера и кислород, реагируют с магнием, влияя на форму частиц графита. Различные марки ковкого чугуна изготавливаются манипулированием микрокристаллической структурой вокруг графитовой сферы. Это достигается либо процессом литья, либо термической обработкой как следующим этапом обработки.

Поскольку ковкий чугун деформируется при ударе, а не ломается на куски, мы используем этот материал для изготовления наших чугунных столбов. Ударный профиль нодулярного чугуна делает его хорошим чугуном для столбов рядом с трафиком.

Чугун с компактным графитом

Компактно-графитный чугун имеет графитовую структуру и связанные свойства, которые являются смесью серого и белого чугуна. Микрокристаллическая структура формируется вокруг тупых графитовых хлопьев, прикрепленных друг к другу. Сплав, такой как титан, служит для ингибирования образования сферического графита. Компактно-графитный чугун имеет более высокую прочность на растяжение и лучшую пластичность по сравнению с серым чугуном. Структура и микрокристаллические свойства могут быть скорректированы термической обработкой или добавлением других сплавов.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЧУГУНА

Механические свойства материала указывают, как он реагирует при определенных условиях, что помогает определить его пригодность для разных применений. Спецификации устанавливаются организациями, такими как Американское общество испытаний и материалов (ASTM), чтобы пользователи могли приобретать материалы с уверенностью, что они соответствуют требованиям для их применения. Это наиболее часто используемая спецификация серого чугуна — ASTM A48.

Для квалификации литьев по их спецификациям стандартный способ — отлить пробный стержень вместе с техническими литьями. Затем испытания ASTM применяются к этому пробному стержню, и результаты используются для квалификации всей партии литьев.

Спецификации также важны при сварке чугунных деталей вместе. Шов должен соответствовать или превосходить механические свойства материала, который сварюется, иначе могут возникнуть трещины и повреждения.

Сварка чугуна

При сварке крайне важно, чтобы шов соответствовал или превосходил механические свойства материала для предотвращения трещин и отказов.

Несколько общих механических свойств чугуна включают:

• Твердость — сопротивление материала абразивному износу и вдавливанию
• Вязкость — способность материала поглощать энергию
• Пластичность — способность материала деформироваться без разрушения
• Эластичность — способность материала возвращаться к исходным размерам после деформации
• Кузнечная способность — способность материала деформироваться под сжатием без разрыва
• Предел прочности на растяжение — наибольшее продольное напряжение, которое материал может выдержать без разрыва
• Усталостная прочность — наивысшее напряжение, которое материал может выдержать за данное число циклов без разрушения