Классификация и структура чугунов по форме графитных включений.

Виды чугунов

Чугун – это сплав железа с углеродом, где содержание последнего более 2,14%. В состав такого сплава могут входить и другие элементы. Их содержание определяет многие параметры и свойства материала.

В железоуглеродистом сплаве содержится цементит, графит и графит с цементитом. Цементитом называют соединение углерода с железом состава Fe3C. Графит – это одна из аллотропных модификаций углерода со слоистой структурой.

В зависимости от содержания указанных соединений меняется цвет изделия. Когда преобладает цементит, материал приобретает светлый отблеск. Отсюда и получилось название «белый».

Графит обладает темной окраской, которую он придает и отливкам. Именно структура графитовых включений определяет пластические свойства материала.

Виды чугуна по ГОСТ.

Исходя из этого сплав разделяют на:

• серый;
• ковкий;
• высокопрочный;
• особого назначения.

К первому типу материалов относится сплав железа с углеродом в графитовой модификации хлопьевидной, пластинчатой или глобулярной формы. Он обладает высокими литейными свойствами. Благодаря им часто используется для получения деталей сложной формы.

В то же время хрупкость сплава ограничивает его применение в изделиях, подвергающихся растяжению или изгибу. Сплав с графитом глобулярной формы характеризуется высокими прочностными свойствами. Его относят к одному из подвидов серого чугуна.

Формирование графита указанной формы достигается благодаря добавкам магния и церия. Другие же формы получаются вследствие разных скоростей охлаждения.

Форма включений может быть различной: в виде хлопьев, шаров или пластин. Именно на получении первого вида структуры основан метод получения ковкого чугуна.

Ковкий чугун содержит углерод в интервале концентраций от 2,4–2,8%. Кроме того, в сплаве могут содержаться: кремний, марганец, сера и фосфор. Указанные элементы влияют на конечные свойства изделий.

Особенности производства ковкого чугуна

Форма графитовых включений и металлическая основа.
Чтобы получить ковкий чугун, необходимо следовать технологии, основанной на термическом отжиге заготовок при определенной температуре. В результате данного процесса происходит распад цементита и аустенита. Таким образом, получают углерод, кристаллизующийся в графите хлопьевидной формы.

Аустенитом называют железо с гранецентрированным типом решетки. Данная модификация является высокотемпературной. В железоуглеродистых сталях он может формироваться при температурах более 727 градусов, а в чистом железе при 910 градусах.

Окончательный процесс формирования графита происходит при более низких температурах – в диапазоне 720-760 градусов. Именно углерод в такой модификации определяет такие характеристики, как пластичность и прочность ковкого чугуна.

Метод предусматривает термообработку ковких чугунов в два этапа. Вначале материал подвергают воздействию температуры до 1000 градусов. Выдержка отливок в указанных условиях приводит к распаду ледебурита на графит и аустенит.

После отжига при высокой температуре изделие охлаждают до 720-760 градусов. В результате формируется перлит, распадающийся в дальнейшем на феррит и графит.

Плавку материала для изготовления чугуна осуществляют в вагранках, пламенных и электропечах. Иногда этот процесс осуществляют в комбинированных печах. Исходные отливки могут содержать различное количество углерода.

При изготовлении ферритного сплава необходимо использовать заготовки с меньшей концентрацией углерода. Такие изделия обладают высокой температурой плавления, поэтому требуют повышенную температуру перегрева.

Обычно для плавки в данной ситуации используют две печи. В вагранке происходит расплавление, а в электродуговой печи перегрев. Описанная технология плавки называется дуплекс-процессом.

Для производства перлитного сплава используют заготовки с большим содержанием «С». Для плавки такого материала достаточно вагранки.

Особенностью производства форм для отливок является повышенная усадка белого сплава. Из-за этого процесса возникает необходимость установки боковых прибылей у каждого местного утолщения отливки. Это позволяет избежать формирования раковин.

Для того, чтобы увеличить скорость охлаждения более толстых мест отливки используются металлические холодильники.

Влияние углерода и кремния на структуру чугуна и зависимость структуры от толщины чугуна.

Название данного материала обусловлено лишь его более высокими пластичными свойствами. На самом деле его нельзя подвергать ковке. Данный тип сплава используется так же, как и другие его виды.

Преимуществом ковкого чугуна, по сравнению с белым, является высокая антикоррозионная стойкость. По этому свойству материал занимает более высокие позиции, чем углеродистые стали. По механическим свойствам он уступает сталям, однако превосходит белый чугун.

Свойства

Механические свойства чугуна напрямую зависят от того, сколько в его составе содержится углерода и в какой форме представлен этот компонент. Характеристики могут изменяться от добавления легирующих примесей. К ним относится кремний, марганец, сера, фосфор и хром. Изготавливают этот материал из белого чугуна, после проведения отжига при высоких температурах. Свойства ковкого материала:

1. Высокий показатель прочности и пластичности.
2. Хорошая вязкость.
3. Материал обладает высокой износостойкостью.

Ковкий чугун является лучшей разновидностью основного сплава. Из него изготавливаются массивные конструкции, отдельные части которых соединяются с помощью сварочного оборудования.

Разновидности ковкого чугуна

В зависимости от процесса производства ковкий чугун бывает ферритным и перлитным. В первом случае изготовление осуществляется в нейтральной среде. Такой материал отличается ферритной структурой с остаточным углеродом отжига.

В состав сплава до термообработки входит 2,2-2,99 процента углерода, а также добавки других элементов, содержание которых не превышает одного процента. Уменьшение кон сопровождается увеличением прочностных характеристик материала. Однако его литейные свойства снижаются.

Данный материал широко применяется при изготовлении деталей для машин и сельхоз техники, где необходима стойкость к постоянным нагрузкам и напряжениям.

Термообработка изделий в окислительной среде приводит к формированию белосердечного или перлитного чугуна. Данный сплав отличается другими концентрациями углерода до отжига – 2,8-3,3 процента. После термического воздействия количество углерода падает до 0,6-2,2%.

Данный сплав отличается более низкими пластическими свойствами. В связи с этим его используют в задачах, не требующих стойкости к серьезным пластическим и химическим нагрузкам.

Свойства ковких чугунов

Состав ковкого чугуна.
Ковкий чугун обладает механическими свойствами, зависящими от содержания кремния углерода в графитовой аллотропной модификации. Для белосердечного материала влияние оказывают также хром и марганец.

Различие структуры изделий определяет и различие свойств. Так, черносердечный сплав характеризуется большей пластичностью, но меньшей твердостью, чем перлитный тип.

Высокие прочностные характеристики данных сплавов обеспечиваются графитом хлопьевидной формы. Несмотря на свое название, данные изделия не поддаются ковке. Они изготавливаются путем отливки деталей в заданные формы.

Главным достоинством ковкого сплава является однородность свойств по сечению материала, а также отсутствие напряжений.

С точки зрения других характеристик они отличаются:

• хорошей текучестью при литье;
• поглощением вибраций;
• высокой износостойкостью;
• хорошей коррозионной стойкостью к влаге и многим агрессивным химическим соединениям;
• высокой стойкостью к ударным нагрузкам.

Основные характеристики металла

Основные характеристики металла напрямую зависит от процентного содержания углерода в его составе. Структура ковкого чугуна представляет собой кристаллическую решётку, в которой присутствуют частицы углерода в форме графита. Дополнительно в составе содержится небольшое количество кремния, марганца и хрома.

Строение ковкого материала влияет на изготавливаемые из него детали и заготовки. Например, ферритная разновидность материала обладает более низким показателем прочности, нежели перлитная. При использовании частиц графита хлопьевидной формы материал становится более прочным и пластичным. Детали, изготавливаемые из ковкого чугуна, могут изменять размер и форму при длительном воздействии комнатной температуры и уровня влажности.

Однако по названию материал нельзя говорить о способах обработки. Этот вид чугуна по стандартам, указанных в ГОСТах, не производится с помощью ковочного оборудования. Для этого применяется технология литья. Благодаря этому в готовом металле нет внутренних и поверхностных напряжений. Характеристики:

1. Высокий показатель текучести и прочности.
2. Устойчивость к коррозийным процессам.
3. Металл выдерживает длительное воздействие кислот и щелочей.

Однако характеристики этого материала быстро снижаются при воздействии низких температур. Он становится хрупким и разрушается от ударов.

Сферы использования материала

Механические свойства и химический состав чугуна.
Применение ковкого чугуна нашлось в машиностроении, автомобилестроении, в производстве ж/д вагонов, изготовлении сельхоз оборудования.

Лучшими свойствами для отмеченных сфер применения является перлитный тип. Однако, несмотря на более высокие характеристики, чаше используется черносердечный сплав. Это обусловлено меньшими затратами на его производство.

Только для изготовления деталей, подвергающихся высоким нагрузкам, используют белосердечный материал. К таким изделиям относятся рессоры, детали двигателей и т.д.

Применение ковкого чугуна в сельском хозяйстве, автомобиле- и судостроении

Механические свойства ковкого чугуна по ГОСТ 1215-79.
КЧ применяют в машиностроении, основными потребителями становятся области тракторостроения, сельхозмашиностроения. Ферритный чугун обладает высокой вязкостью, прочностью; его используют для производства узлов, не подвергающихся истиранию, например, фланцев, рычагов, вилок. Из перлитного чугуна изготавливают различные детали: поршни двигателей дизельных, коромысла, узлы сцепления, коленчатые валы, распределительные валы с кулачками, которые, взаимодействуя с толкателями, производят работу узла по определенному циклу, звенья цепей, собачки, гребни, головки ножей, тормозные барабаны и т. д.

Эти изделия работают под воздействием статических и динамических нагрузок, истирания. Достоинствами чугуна перлитного являются прочность, износостойкость, высокая усталостная прочность, стойкость к высоким температурам, устранение вибрации.

Применяется КЧ в автомобилестроении при изготовлении тонкостенных отечественных отливок, работающих под воздействием динамических знакопеременных нагрузок.

https://www.youtube.com/watch?v=oVccy-PsKTs

Из сплава изготавливают приводы, коробки передач, ступицы колес, шестеренки, картеры редукторов, дифференциала, рулевых систем, кронштейны двигателей и рессор, колодки тормозных систем, катки, накладки, пробки, балансиры, барашки, валы карданные, коллекторы и т.д. КЧ широко применяется в судостроении при производстве оборудования для судов. Из него изготавливают иллюминаторы, скобы мачтовые, уключины, брештуки, модели арматуры паровой и водяной.

В вагоностроении применяют при изготовлении запчастей воздушных тормозов, подшипников, кронштейнов, тягово-сцепных, ударно-тяговых устройств, скоб; эти детали работают под нагрузками ударов, изгибов, износа.

Итог

Ковкие чугуны нашли широкое применение в различных областях человеческой жизнедеятельности благодаря своим высоким прочностным свойствам и хорошей коррозионной стойкости.

Они используются для изготовления различных деталей, которые должны выдерживать значительные постоянные и периодические нагрузки.

В зависимости от задач, может использоваться либо ферритный, либо перлитный тип материала. Каждый из них обладает своими достоинствами и недостатками, описанными в данной статье.

https://youtu.be/F6ApHPhpnok