Температуры плавления чугуна металла

Температура плавления чугуна: особенности материала

Чугуном называют железный сплав, содержание углерода в котором превышает 2%. Кроме этих компонентов, в смеси содержится ряд постоянных веществ, таких как марганец, кремний, фосфор, сера, и легирующие добавки.

Материалы разделяют на типы в зависимости от сплава, который определяют по структуре надломов. Имеется около ста марок чугуна, в их числе особо выделяется литейный, его от других отличает текстура, назначение и технология производства.

Особенности классификации материала

Материал более хрупкий по сравнению со сталью, может разрушаться даже в тех случаях, если отсутствуют значительные деформации. Углерод в составе представлен в виде графита или цементита, каждое вещество может быть представлено отдельно. Разделяют чугун на виды, ориентируясь на форму и количество данных веществ:

• Белый. Углерод в полном объеме в виде цементита. Оттенок можно заметить именно на изломе материалов. Отличается хрупкостью и одновременной твердостью. Его поддают обработке преимущественно для того, чтобы обеспечить нормальную ковку.
• Серый. Углерод пластичной формы в виде графита. Характеризуется мягкостью, отличается легкостью обработки при низких температурах.
• Ковкий. Данное обозначение является условным, ведь материал не поддается ковке. Разновидность получают путем длительного обжига белого, в результате чего образовывается графит. На полезные свойства оказывает негативное воздействие нагрев, превышающий 900 градусов Цельсия, а также значительная скорость охлаждения самого графита, что ведет к затруднению процесса обработки и сваривания.
• Высокопрочный. Характеризуется содержанием шаровидного графита, который получают путем кристаллизации.

Отличия от стали

Разница между двумя материалами состоит в следующем:

1. Чугун обладает меньшей твердостью и прочностью по сравнению со сталью.
2. Сталь больше весит, обладает более высокой температурой плавления.
3. Незначительный процент углерода в стали делает ее податливой к различным видам обработки (ковка, резка, сварка, прокатка). По этой причине чугунные изделия делают методом литья.
4. Декоративные стальные изделия имеют красивый блеск, а те, что сделаны из чугуна, — матовые с черным оттенком.
5. Чугуном называют первичный продукт черной металлургии, сталью — конечный.
6. Сталь подвергается закалке.
7. Чугунные изделия получают посредством литья, стальные — в результате ковки и сварки.

Плавление чугуна

Материал обладает отличными литейными свойствами, имеет неплохую жидкотекучесть, и температура его плавления существенно ниже, если сравнивать со сталью и ковким чугуном. Такие свойства учитываются при придании формы.

Для соединения материала с латунью в большинстве случаев используют газообразный флюс. Также могут применяться чугунные прутки с медным напылением, что хорошо отражается на смачиваемости окантовки наплавляемым металлом. Для прутков берут эвтектический чугун, диапазон температуры плавления которого находится в пределах 1050−1200 градусов.

Сварка может происходить и посредством пастообразных флюсов. Когда нет специальных прутков из чугуна либо латуни Л-62, то трещины в элементах из данного материала можно устранить, воспользовавшись проволокой, главный компонент которой — электролитическая красная медь.

Существенно выше температуры плавления перегрев материала, что приводит к растворению взвешенных частиц. Они не всегда растворяются полностью, но графит все равно образовывается с затруднениями. В отдельных случаях возникает, если в чугун добавляются дополнительные вещества, влияющие на образование дополнительных центров кристаллизации графита.

У чугуна отличные литейные качества, если сравнивать со сталью, что делает работу с ним удобной. Хорошая жидкотекучесть и заполняемость форм обеспечивает более низкая температура плавления и завершающий процесс кристаллизации при постоянных температурах.

Указанные преимущества позволяют утверждать, что чугун является ценным конструктивным материалом, который активно применяют при производстве деталей машин (если отсутствуют значительные растягивающие и ударные нагрузки).

Полусинтетический чугун расплавляют при помощи плавления шихты, температурный диапазон составляет 1400−1450 градусов. После окончания плавления шихты материал хранится в тигле печей при небольшом перегреве (температура плавления не должна быть превышена более чем на сто градусов). Что следует сделать для создания шлакового покрова? Когда шихта постепенно плавится, на зеркало металла необходимо подавать стеклобой или раскаленный кварцевый песок.

Разновидности сварки

Реализация газовой сварки проходит оплавлением пламенем частиц соединяемых элементов и прутков из присадочных металлов.

Данную сварку используют для соединения металлических деталей, неметаллических компонентов и сплавов с неодинаковой температурой плавления. Их толщина не должна превышать 30 мм. Для устройства не понадобится электроэнергия.

Широко применяют и электродуговую сварку. Электрическая дуга способствует активному взаимодействию оплавленного металла с металлом электрода и образованию прочного шва. Чтобы избежать окисления, на шов наносят специальный защитный слой.

С помощью электродуговой сварки соединяются чугунные детали, конструкционные стали, медные, алюминиевые и другие сплавы.

Источник

Температура плавления чугуна, плавки стали

В промышленности, быту широкого используются изделия из чугуна. Металл представляет собой железо, в молекулярную структуру которого интегрировано 2 процента углерода. Сегодня получают большое величество марок металла, имеющего различные характеристики излома. Около ста видов.

Производство требует огромного количества тепловой энергии, поскольку температура плавления чугуна составляет свыше одной тысячи градусов по Цельсию. Плавка происходит при температуре 1150 — 1200 C° .

Помимо углерода, для получения необходимой марки, в замесы добавляют кремний, серу, марганец, фосфор. Повышения прочности добиваются вкраплением в замесы легирующих добавок.

Отличия от стали

По технологическому процессу чугун является первичным продуктом, получаемый путём литья, а сталь конечным. Молекулярное построение стали содержит углерод в ничтожном объёме. Материал пластичный, хорошо поддаётся механической обработке. Изготовление продукции осуществляется ковкой, сваркой, прокаткой на станах. Имеет высокую температуру плавления. По технологии сталь подлежит закалке. Качество зависит от приготовленной смеси и от того, какая температура плавления сталей задана.

Скорость превращение стали в жидкое состояние находится в зависимости от различных добавок. Конкретно ответить на вопрос, при какой температуре плавится сталь, можно условно, указав лишь диапазон нагрева. Переход из твёрдого вещества в жидкую консистенцию происходит при температуре 1450—1600 C° .Приведённый цифровой параметр указывает на отличие стали от чугуна. Это различные температуры плавления.

Чугун не так прочен, как сталь. Отлитые заготовки содержат поры, придающие им хрупкость. Именно в процессе литья получают изделия из чугуна. Наличие микроскопических пустот снижает теплопроводные характеристики металла. Важно задать тепловой режим, зафиксировать, при какой температуре плавится чугун .

Чёрная металлургия производит несколько разновидность первичного продукта. Рассмотрим некоторые из них.

Сероватый чугун

Сплавы, образованные компонентами железа и углерода, изменяют структуру при интеграции хлопьевидного, пластинчатого, волокнистого графита. Производители получают чугун повышенной прочности, добавляя графит глобулярный. Присутствие в замесе Mg, Ce (магний, церий) мотивируют его модификацию. От того, как быстро расплавленный чугун остывает, он приобретает новые потребительские характеристики. Получают изделия нужного качества от умелого сочетания конкретных свойств.

Для облегченного поиска нужного материала в каталогах, изделия маркируются аббревиатурой С. Ч. Цифры , следующие после букв, указывают на предел силовой нагрузки в килограммах/на миллиметр квадратный. Металл повышенной прочности имеет буквенное обозначение В. Ч. Цифры , показывают величину прочности, а также через дефис — увеличения длины в процентном отношении. Например, ВЧ60−1

Чугун серый обладает отличными технологическими показателями в процессе его производства:

1. Кристаллизация не требует запредельных температур, что положительно сказывается на экономии электрической, других видов энергии.
2. Показывает уникальную жидкостную текучесть.
3. При разливе демонстрирует оптимальную усадку.

Металл благодаря уникальным свойствам является базовым материалом для производства изделий.

Имеет недостатки в применении. Изготавливают узлы, детали, работающие только на сжатие. Отливают станины для станков, цилиндры, различные поршни и так далее. Критичные показатели по хрупкости не позволяют использовать для производства изделий, работающих в условиях силовых воздействий на изгиб. Температура плавления 1150 — 1260 C°

Цвета отбеленного полотна

Белый чугун содержит железоуглеродистое соединение, называемое цементитом. Обладает колоссальной твёрдостью, исключающую пластичность. Если произвести разлом металла, то цвет виден на изломе. Чугун тверже камня и хрупок, как яичная скорлупа. Подвергают обработке с целью получить ковкое разнообразие. Температура плавления происходит в диапазоне 1150 — 1350 C °. Уместно заметить, что термин ковкий используется условно, поскольку металл не поддаётся пластической обработке. Ковкий чугун получают в результате термического обжига.

Нагрев материала свыше 900 градусов по Цельсию влияет на его свойства. К такому результату приводит и быстрота остывания графита. Несоблюдение технологических параметров ведёт к усложнению производства сварочных работ, обработке заготовок.

Чугун высокой прочности

В чёрной металлургии высокопрочным материалом называют чугун, имеющий в молекулярной структуре графитные вкрапления, форма которых сфероидальная. Уникальное отношение поверхности шаровидного графита к объёму обеспечивает формирование металлической основы, то есть влияет на прочность. Плавление металла с интеграцией шаровидного графита не допускает трещин. Образуются новые свойства металла: становится прочным при силовом воздействии на изгиб. Кроме этого, демонстрирует:

• вязкость при мгновенных ударах;
• повышение коэффициента текучести;
• небольшое удлинение, которое можно назвать относительным явлением.
• уникальную сопротивляемость при сжатии;
• износостойкость.

Этот вид поддаётся сварке. Соединение металла осуществляется с помощью флюсов, применяемых в виде пастообразных консистенций.

Сверхпрочный чугунный материал обладает отличными свойствами литья. Прекрасная текучесть в жидком состоянии обеспечивает образцовое наполнение форм. По некоторым технологическим параметрам материал можно сравнивать со сталью.

Учитывая отличные конструктивные свойства, на заводах производят детали для узлов и систем, если они не испытывают при эксплуатации машин и механизмов силовых нагрузок на растяжение.

Изменения решётки

При увеличении тепла (чугун плавится при температуре 1200 градусов по Цельсию), происходит переход кристаллической решётки в текущее жидкое состояние. Именно в этот момент растёт внутренняя энергия металла. Достигнув нагрева свыше одной тысячи градусов, кристаллическая решётка разрушается. В это время, поступающая тепловая энергия продолжает ослаблять молекулярные связи. Наблюдается увеличение запасов энергии внутри металла. Она выше той, что содержит кристаллизованный материал, в несколько раз.

Прекращение нагревания является началом охлаждения металла. Происходит обратный процесс кристаллизации, развивающийся по дендритному алгоритму. То есть из точек, мотивирующих такое развитие. Они (дендриты) выступают в роли априорных стадий процесса. Кристалл вырастает как бы из центра явления. В жидком, но уже в остывающем чугуне, кристаллизация происходит по принципу строения дерева. В процессе участвуют дендриты цементита, аустенита и графита. Зафиксировано термодинамическим способом, что именно графит шаровидной формы представлен дендритом, имеющим секторальную слоистую конструкцию.

Источник

Влияние температуры на механические свойства чугуна

Чугун состоит из углерода, железа и некоторых примесей. Это один из главных материалов черной металлургии. Чугун используются при изготовлении предметов быта и коммунального хозяйства, деталей машин и в других отраслях. Его применяют в производстве, ориентируясь и учитывая его свойства и характеристики.

Данная статья как раз и призвана рассказать вам о плотности высокопрочного, жидкого, белого и серого чугуна, его температурах плавления и удельная теплоемкость также будут рассмотрены отдельно.

Тепловые свойства чугуна

У чугуна, как и у любого металла, присутствуют следующие свойства: тепловые, физические, механические, гидродинамические, электрические, технологические, химические. Каждые свойства рассмотрим подробнее.

Это видео рассказывается о структуре и составе чугунных сплавов и зависимости их свойств от определенного состава:

Теплоемкость

Тепловую емкость чугуна определяют с помощью правила смещения. Когда теплоемкость чугуна достигает температурного периода, начало которого начинается с температуры, значение которой больше фазовых превращений и заканчивается на отметке равной температуры плавления, то теплоемкость чугуна принимает значение 0,18 кал/Го С.

Если значение температуры плавления превышает абсолютное значение, то теплоемкость равна 0,23±0,03 кал/Го С. Если происходит процесс затвердения, то тепловой эффект равняется 55±5 кал. Тепловой эффект зависит от количества перлита, когда происходит перлитное превращение. Обычно он принимает значение 21,5±1,5кал/Г.

За величину объемной теплоемкости принимают произведение удельного веса на удельную теплоемкость. Для твердого чугуна эта величина составляет 1 кал/см3*ºС, для жидкого – 1,5 кал/см3*ºС.

Удельная теплоемкость чугуна равна 540 Дж/кг С.

Удельная теплоемкость чугуна и других металлов в виде таблицы

Теплопроводность

В отличие от теплоемкости, теплопроводность не определяется по правилу смещения. Только в случае изменения величины графитизации, на теплопроводность будет влиять состав чугуна.

Температуропроводность

Значение температуропроводности твердого чугуна (при крупных расчетах) может быть принята равной его теплопроводности, а жидкого чугуна – 0, 03 см2*/сек.

О том, какую чугуны имеют температуру плавления, читайте ниже.

Температура плавления

Чугун плавится при температуре 1200ºС. Это значение температуры ниже температуры плавления стали на 300 градусов. При повышенном содержании углерода, этот химический элемент имеет на молекулярном уровне тесную связь с атомами железа.

В процессе плавления чугуна и его кристаллизации углеродная составляющая не может полностью пронизать структурную решетку железа. Вследствие этого материал чугун примеряет на себя свойство хрупкости. Чугун используют для деталей, от которых требуется повышенная прочность. Однако чугун не применяют при изготовлении предметов, на которые будут действовать постоянные динамические нагрузки.

В таблице ниже указана температура плавления чугуна в сравнении с другими металлами.

Температура плавления чугуна и других металлов

Изменения решётки

При увеличении тепла (чугун плавится при температуре 1200 градусов по Цельсию), происходит переход кристаллической решётки в текущее жидкое состояние. Именно в этот момент растёт внутренняя энергия металла. Достигнув нагрева свыше одной тысячи градусов, кристаллическая решётка разрушается. В это время, поступающая тепловая энергия продолжает ослаблять молекулярные связи. Наблюдается увеличение запасов энергии внутри металла. Она выше той, что содержит кристаллизованный материал, в несколько раз.

Прекращение нагревания является началом охлаждения металла. Происходит обратный процесс кристаллизации, развивающийся по дендритному алгоритму. То есть из точек, мотивирующих такое развитие. Они (дендриты) выступают в роли априорных стадий процесса. Кристалл вырастает как бы из центра явления. В жидком, но уже в остывающем чугуне, кристаллизация происходит по принципу строения дерева. В процессе участвуют дендриты цементита, аустенита и графита. Зафиксировано термодинамическим способом, что именно графит шаровидной формы представлен дендритом, имеющим секторальную слоистую конструкцию.

Физические характеристики

Масса

Вес материала меняется в зависимости от количества связанного углерода и наличия определенного процента пористости. Удельный вес чугуна при температуре плавления может существенно снижаться в зависимости от наличия в чугуне примесей.

Кроме этого линейное расширение металла и структура чугуна меняется в зависимости от состояния каждого показателя. То есть это зависимые величины.

Удельный вес каждого чугуна отличается в зависимости от вида материала. У серого чугуна удельная масса равна 7,1±0,2 г/см3, у белого — 7,5±0,2 г/см3 , у ковкого — 7,3±0,2 г/см3.

О некоторых физических свойствах чугуна поведает видео ниже:

Объем

Объем чугуна, проходя через температуру фазовых превращений, достигает увеличения в 30%. Однако, при нагреве в 500ºС, объем увеличивается на 3%. Росту помогают графитообразующие элементы. Тормозят рост объема карбидообразующие составляющие. Та же росту препятствует нанесение на поверхность гальванических покрытий.

Содержание углерода обычно составляет не менее 2,14%. Благодаря углеродной доле чугун имеет отличную твердость. Однако пластичность и ковкость материала на этом фоне страдают.

О том, какова плотность чугуна, расскажем ниже.

Плотность

Плотность описываемого материала, чугуна, равна 7,2 гр/см3. Если сравнивать с чугуном другие металлы и сплавы, то это значение плотности достаточно высокое.

Благодаря хорошему значению плотности чугун широко применяют для литья разнообразных деталей в промышленности. По этому свойству чугун совсем незначительно уступает некоторым сталям.

Влияние температуры на механические свойства чугуна

Общая закономерность влияния повышенных температур на механические свойства чугуна заключается в уменьшении показателей прочности, твердости и упругости с одновременным повышением до определенного предела пластичности и вязкости, после которого и эти свойства начинают понижаться. Сопоставляя механические свойства разных чугунов при кратковременных испытаниях, можно видеть (рис. 245), что прочность чугуна характеризуется минимумом при 150—250° С, но при 350—450° С уже мало отличается от прочности при нормальной температуре и только после этого начинает монотонно и интенсивно понижаться. Однако в высокопрочном чугуне эта аномалия (хотя и отмечена на рис. 245) обнаруживается реже. Причина образования указанного минимума окончательно еще не определена; предполагается, что это является следствием напряжений второго рода, образующихся из-за разницы в коэффициенте расширения цементита и феррита в перлите, магнитных превращений карбидов, выделения газов, дисперсионного твердения и других факторов. Вo всяком случае можно полагать, что частое отсутствие этого минимума на высокопрочном чугуне свидетельствует о том, что газам в этом вопросе принадлежит не последняя роль.

Весьма интенсивно и притом монотонно падает во всех чугунах модуль упругости, что для области температур до 700°С может быть, примерно, выражено формулой где E и Et — модуль упругости при нормальной н повышенной (t) температурах (°C);
а и в — коэффициенты, значение которых для высокопрочного чугуна составляют соответственно 0,0068*10в-2 и 0,0044*10в-4.

Вместе с тем, циклическая вязкость чугуна вовсе не изменяется при повышении температуры, что опровергает утверждения о строгой и однозначной связи между этим свойством и модулем упругости и свидетельствует о существовании более сложной зависимости.

Характер кривой изменения пластичности чугуна с температурой представляется сначала (до 400—500° С) почти горизонтальной, часто даже слегка ниспадающей кривой, за которой следует резкий подъем (рис. 245), достигающий максимума в области 800—1000° С, после чего наступает столь же резкое падение при более высоких температурах. Таким образом, вблизи эвтектической температуры все чугуны, как и другие сплавы, отличаются очень низкими значениями прочности, упругости и пластичности. Примерно так же изменяется и ударная вязкость чугуна, хотя соответствующая кривая зависимости от температуры носит более сложный характер в связи с разным изменением прочности и пластичности.

Особый интерес представляет горячая твердость, простота определения которой дает возможность оценить и соответствующую прочность чугуна, поскольку характер влияния температуры в обоих случаях приблизительно одинаков. Интенсивное падение твердости, которое начинается примерно с 430° С, может быть выражено формулой

где В — коэффициент смягчения, колеблющийся для температур выше перегиба в пределах (30/36)*10в-4 (меньшее значение соответствует серому чугуну, большее — ковкому и высокопрочному).

Влияние химического состава чугуна на его свойства при повышенных температурах в большинстве случаев примерно такое же, как при нормальной температуре. Уменьшение эвтектичности повышает кратковременную и длительную прочность серого чугуна, что обусловлено уменьшением количества и размельчением графита. Еще благотворнее сказывается компактная и шаровидная формы графита в ковком и высокопрочном чугунах (табл. 32) и примерно в том же соотношении, что и при нормальной температуре. При этом легирующие элементы так же или еще более полезны, чем при нормальной температуре. Наиболее эффективным из них является молибден, который повышает не только кратковременную и длительную прочность, как это видно из рис. 246, но и сопротивление ползучести чугуна. Максимум этого влияния проявляется при 1,5—2,0% Mo; как и при действии других элементов и факторов, оно уменьшается по мере повышения температуры, так что длительная прочность чугуна при 650° С уже мало зависит от легирования. Подобно молибдену благоприятно действуют, хотя и с меньшей интенсивностью, хром и никель, в частности путем присадки природно-легированного халиловского чугуна, как показано в табл. 33.

Влияние хрома особенно благоприятно в области высоких температур еще и по той причине, что он стабилизирует структуру.

При высоком же содержании графитизирующих элементов, в частности кремния, можно опасаться понижения прочности вследствие распада перлита. Однако медь в количестве около 0,5% в этих случаях весьма полезна, особенно в высокопрочном чугуне. При этом можно вновь отметить общую закономерность: чем выше температура, тем в меньшей степени влияет состав металла. Подтверждением этого, например, в отношении ковкого чугуна может служить рис. 247, из которого видно, что преимущества низкого содержания углерода проявляются только при температурах до 425°С. Однако легирование никелем, хромом, медью и молибденом, как видно из табл. 33 и других работ, например, все же сохраняет в ряде случаев свои преимущества в области повышенных температур, но главным образом при длительных испытаниях; при кратковременных же испытаниях это проявляется в малой степени. Указанное справедливо также для ползучести, которая проявляется на чугуне, начиная с 350—400° С. В этом случае высокопрочный чугун, особенно перлитный, имеет явные преимущества перед серым чугуном, хотя легирование может иногда и изменить это соотношение. И действительно, как видно из рис. 248, серый чугун, легированный молибденом и хромом, характеризуется при малых скоростях ползучести большим сопротивлением, чем нелегированный чугун с шаровидным графитом. Однако это не всегда наблюдается, и при больших скоростях ползучести высокопрочный чугун, даже ферритный, отличается более высокими свойствами, которые могут быть еще улучшены путем легирования и перлитизации структуры (рис. 248). Самыми же высокими свойствами в этом отношении характеризуются аустенитные никелевые чугуны (рис. 249) с пластинчатым и особенно с шаровидным графитом, несмотря на то, что при нормальной температуре они уступают по прочности обычным перлитным чугунам. Некоторые из этих чугунов, как видно из рис. 250, по кратковременной и длительной прочности весьма близки к аустенитной стали 1Х18Н9, хотя по сопротивлению ползучести они ей в значительной мере уступают. Проект ГОСТа на жаропрочный чугун, разработанный ЦНИИТмашем (табл. 34), предусматривает поэтому только аустенитные чугуны с шаровидным графитом, которые должны удовлетворять определенным требованиям по механическим свойствам при нормальной и повышенной температурах.

Скорость ползучести чугунов, приведенных в табл. 34, при 600° С за время 400—1200 ч при напряжении 4 кГ/мм2 составляет 1,0*10в-4, длительная прочность при 600° С составляет одл1400 = 12 кГ/мм4, а для марки ЧН19МШ эта прочность соответствует даже 2800 ч. Таким высоким свойствам аустенитных чугунов при повышенных температурах, несомненно, благоприятствует не только их химический состав, но и стабильность структуры.

Поэтому в указанных условиях также эффективны, хотя и в меньшей степени, чугуны со стабильным ферритом, например кремнистый чугун, ЖЧС-5,5 или превосходящий его по свойствам ЖЧСШ-5,5 с шаровидным графитом.

В общем же следует указать, что чугун вследствие высокого содержания углерода, даже при самых благоприятных структуре и составе, не отличается высокими жаропрочными свойствами и применим только в условиях сравнительно низких температур, обычно не выше 350—450° С.

В ряде случаев в условиях повышенных температур удовлетворительно работают также отливки из белого чугуна, чаще всего легированного хромом. На рис. 251 представлена для сравнения с аустенитными и перлитными чугунами горячая прочность белого высоколегированного чугуна типа хромэкс с содержанием 28—34% Cr (Х28Л и Х34Л по ГОСТу 2176—57). Чугуны Х28Л и Х34Л, как и перлитные, характеризуются более интенсивным падением прочности с ростом температуры, чем аустенитные чугуны. Пластичность этих чугунов, очень низкая при нормальной температуре, растет начиная с 400° С и достигает максимума (-100%) при температурах около 900— 1050° С, когда происходит превращение феррита в аустенит. Ударная вязкость также растет с повышением температуры и также достигает максимума в аустенитном состоянии, как это видно на рис. 251, а. Механические свойства высокохромистых чугунов в сильной степени зависят от химического состава и режима термообработки. Что касается состава, то наиболее важными элементами являются углерод и кремний: первый, как видно из рис. 251, б, повышает, а второй понижает прочность при высоких температурах, на пластические же свойства оба элемента действуют отрицательно.

Еще большее влияние на механические свойства этих чугунов оказывает термическая обработка, посредством которой можно получить аустенитную (1150° С воздух), мартенситную (1000 C —> воздух) или ферритиую (1000°С —> охлаждение в печи) структуры, а следовательно, и соответствующее изменение механических свойств. Кроме того, при термической обработке этих чугунов возможно также дисперсионное твердение (при 400—550° С) и образование о-фазы при 650—800° С, что отражается, конечно, на механических свойствах (табл. 35), причем в этом случае главным образом понижаются пластичность и вязкость чугуна.

Общая закономерность изменения механических свойств при пониженных температурах заключается в некотором повышении прочности и твердости и уменьшении пластичности и вязкости, но эти изменения значительно зависят от типа и структуры чугуна. В обычном сером (перлитном) чугуне они сравнительно невелики и в среднем составляют:

Как видно из этих данных, прочность перлитных чугунов повышается в небольшой степени при понижении температуры.

Ферритные же чугуны упрочняются в большей степени и меньше теряют свои пластические свойства, как это видно, например, из испытаний серого чугуна при -269° С:

Все свойства серого чугуна, в том числе и ударная вязкость, монотонно изменяются с понижением температуры без какого-либо скачка. Это объясняется, по-видимому, тем, что чугун при этих температурах находится уже в области ниже порога хрупкости. Преимущества ферритной структуры сохраняются также и у высокопрочного чугуна, о чем свидетельствуют следующие данные:

В то время как высокопрочный чугун с перлитной структурой значительно теряет в прочности при очень низких температурах, ферритный чугун теряет при этом только в пластичности, прочность же его значительно увеличивается.

Еще большие преимущества имеют аустенитные чугуны. Упрочнение происходит в этом случае более интенсивно, а ударная вязкость мало изменяется или даже повышается до температуры превращения и только потом уже резко падает. Так, например, для аустенитного чугуна с пластинчатым графитом и с температурой превращения -88° С найдено:

Примерно так же изменяются механические свойства ковкого и высокопрочного чугунов, только ударная вязкость их более резко падает при переходе через порог хрупкости, твердость же их при этом мало изменяется:

Особый интерес представляет изыскание чугунов с повышенной прочностью и достаточной пластичностью при очень низких температурах (-200° С или -269°, т. е. при температурах жидкого азота и гелия). Очевидно, что такой хладновязкий чугун должен быть высоконикелевым сплавом с аустенитной структурой, характеризующейся низко расположенным порогом хрупкости. Исследования показали, что такими свойствами обладает аустенитный чугун (2,44% С; 2,25% Si; 3,92 Mn; 22,0% Ni; 0,25% Cr и 0,12% Mg), характеризующийся следующими свойствами при низких температурах после нормализации с 900°С:

Особенно важно отметить, что ударная вязкость чугуна сохраняется высокой: даже после выдержки при -196° С в течение 2550 ч она была в пределах 4,2—4,8 кГ*м/см2 по Шарли, что свидетельствует о том, что даже при температуре -196° С чугун не перешел в хрупкое состояние. Весьма высокие свойства подобного рода показал также аустенитный высоконикелевый чугун (2% С; 1,8% Si; 0,5% Mn; 0,02% Р; 0,02% S; 30% Ni) с пластинчатым и шаровидным графитом при температуре -269° С:

В заключение следует отметить, что прочность аустенитных чугунов, как и ферритных, резко повышается при очень низких температурах, пластичность также сохраняется сравнительно высокой, так что эти чугуны в наибольшей степени пригодны для работы в указанных условиях.

Механические особенности

Предел прочности

Предел прочности чугуна при сжатии зависит от структуры самого материала. Составляющие структуры набирают свою прочность вместе с увеличением уровня дисперсности. На предел прочности оказывают сильное влияние количество, величина, распределение и формаграфитных включений. Предел прочности уменьшается на заметную величину, если графитные включения расположены в виде цепочки. Такое расположение уменьшает сплоченность металлической массы.

Предел прочности достигает максимального значения, когда графит принимает сфероидальную форму. Получается такая форма без влияния температуры, но при включении в чугунную массу церия и магния.

• При повышении температуры плавления до 400ºС, предел прочности не изменяется.
• Если температура поднимается выше этого значения, то предел прочности уменьшается.
• Заметим, что при температуре от 100 до 200ºС предел прочности может снижаться на 10-15%.

Пластичность

Пластичность чугуна в большей степени зависит от формы графита, а так же зависят от структуры металлической массы. Если графитные включения имеют сфероидальную форму, то процент удлинения может достигать 30.

• В обычном чугуне серого вида удлинение достигает только десятой доли.
• В отожженном чугуне серого вида удлинение равно 1,5%.

Упругость

Упругость зависит от формы графита. Если графитные включения не менялись, а температура повышалась, то упругость остается при том же значении.

Модуль упругости считается условной величиной, так как он имеет относительное значение и прямо зависит от присутствия графитных включений. Модуль упругости снижается, если увеличивается количество графитных включений. Так же модуль упругости возрастает, если форма включений отдалена от глобулярной формы.

Ударная вязкость

Этот показатель отражает динамические свойства материала. Ударная вязкость чугуна повышается:

• когда форма графитных включений приближена к шаровидной;
• когда содержание феррита увеличивается;
• когда уменьшается содержание графита.

Предел выносливости

Предел выносливости чугуна становится больше, когда увеличивается частота нагружений и становится больше предел прочности.

Особенности классификации материала

Материал более хрупкий по сравнению со сталью, может разрушаться даже в тех случаях, если отсутствуют значительные деформации. Углерод в составе представлен в виде графита или цементита, каждое вещество может быть представлено отдельно. Разделяют чугун на виды, ориентируясь на форму и количество данных веществ:

• Белый. Углерод в полном объеме в виде цементита. Оттенок можно заметить именно на изломе материалов. Отличается хрупкостью и одновременной твердостью. Его поддают обработке преимущественно для того, чтобы обеспечить нормальную ковку.
• Серый. Углерод пластичной формы в виде графита. Характеризуется мягкостью, отличается легкостью обработки при низких температурах.
• Ковкий. Данное обозначение является условным, ведь материал не поддается ковке. Разновидность получают путем длительного обжига белого, в результате чего образовывается графит. На полезные свойства оказывает негативное воздействие нагрев, превышающий 900 градусов Цельсия, а также значительная скорость охлаждения самого графита, что ведет к затруднению процесса обработки и сваривания.
• Высокопрочный. Характеризуется содержанием шаровидного графита, который получают путем кристаллизации.

Отличия от стали

Разница между двумя материалами состоит в следующем:

1. Чугун обладает меньшей твердостью и прочностью по сравнению со сталью.
2. Сталь больше весит, обладает более высокой температурой плавления.
3. Незначительный процент углерода в стали делает ее податливой к различным видам обработки (ковка, резка, сварка, прокатка). По этой причине чугунные изделия делают методом литья.
4. Декоративные стальные изделия имеют красивый блеск, а те, что сделаны из чугуна, — матовые с черным оттенком.
5. Чугуном называют первичный продукт черной металлургии, сталью — конечный.
6. Сталь подвергается закалке.
7. Чугунные изделия получают посредством литья, стальные — в результате ковки и сварки.

Гидродинамические свойства

Динамическая вязкость

Вязкость становится меньше, если в чугуне увеличивается количество марганца. Так же замечено уменьшение вязкости при снижении содержания серной примеси и прочих неметаллических оставляющих.

На процесс влияет значение температуры. Так вязкость становится меньше при прямопропорциональном отношении двух температур (температура проходящего опыты и начала затвердевания).

Поверхностное натяжение

Это показатель равен 900±100 дин/см2. Значение увеличивается при снижении количества углерода и терпит существенные изменения при наличии неметаллических составляющих.

Токсичность

Из чугуна часто изготавливают посуду. Дело в том, что как материал чугун не обладает токсичностью и прекрасно переносит перепады температур.

Отличия от стали

По технологическому процессу чугун является первичным продуктом, получаемый путём литья, а сталь конечным. Молекулярное построение стали содержит углерод в ничтожном объёме. Материал пластичный, хорошо поддаётся механической обработке. Изготовление продукции осуществляется ковкой, сваркой, прокаткой на станах. Имеет высокую температуру плавления. По технологии сталь подлежит закалке. Качество зависит от приготовленной смеси и от того, какая температура плавления сталей задана.

Скорость превращение стали в жидкое состояние находится в зависимости от различных добавок. Конкретно ответить на вопрос, при какой температуре плавится сталь, можно условно, указав лишь диапазон нагрева. Переход из твёрдого вещества в жидкую консистенцию происходит при температуре 1450—1600 C° .Приведённый цифровой параметр указывает на отличие стали от чугуна. Это различные температуры плавления.

Чугун не так прочен, как сталь. Отлитые заготовки содержат поры, придающие им хрупкость. Именно в процессе литья получают изделия из чугуна. Наличие микроскопических пустот снижает теплопроводные характеристики металла. Важно задать тепловой режим, зафиксировать, при какой температуре плавится чугун .

Чёрная металлургия производит несколько разновидность первичного продукта. Рассмотрим некоторые из них.

Сероватый чугун

Сплавы, образованные компонентами железа и углерода, изменяют структуру при интеграции хлопьевидного, пластинчатого, волокнистого графита. Производители получают чугун повышенной прочности, добавляя графит глобулярный. Присутствие в замесе Mg, Ce (магний, церий) мотивируют его модификацию. От того, как быстро расплавленный чугун остывает, он приобретает новые потребительские характеристики. Получают изделия нужного качества от умелого сочетания конкретных свойств.

Для облегченного поиска нужного материала в каталогах, изделия маркируются аббревиатурой С. Ч. Цифры , следующие после букв, указывают на предел силовой нагрузки в килограммах/на миллиметр квадратный. Металл повышенной прочности имеет буквенное обозначение В. Ч. Цифры , показывают величину прочности, а также через дефис — увеличения длины в процентном отношении. Например, ВЧ60−1

Чугун серый обладает отличными технологическими показателями в процессе его производства:

1. Кристаллизация не требует запредельных температур, что положительно сказывается на экономии электрической, других видов энергии.
2. Показывает уникальную жидкостную текучесть.
3. При разливе демонстрирует оптимальную усадку.

Металл благодаря уникальным свойствам является базовым материалом для производства изделий.

Имеет недостатки в применении. Изготавливают узлы, детали, работающие только на сжатие. Отливают станины для станков, цилиндры, различные поршни и так далее. Критичные показатели по хрупкости не позволяют использовать для производства изделий, работающих в условиях силовых воздействий на изгиб. Температура плавления 1150 — 1260 C°

Цвета отбеленного полотна

Белый чугун содержит железоуглеродистое соединение, называемое цементитом. Обладает колоссальной твёрдостью, исключающую пластичность. Если произвести разлом металла, то цвет виден на изломе. Чугун тверже камня и хрупок, как яичная скорлупа. Подвергают обработке с целью получить ковкое разнообразие. Температура плавления происходит в диапазоне 1150 — 1350 C °. Уместно заметить, что термин ковкий используется условно, поскольку металл не поддаётся пластической обработке. Ковкий чугун получают в результате термического обжига.

Нагрев материала свыше 900 градусов по Цельсию влияет на его свойства. К такому результату приводит и быстрота остывания графита. Несоблюдение технологических параметров ведёт к усложнению производства сварочных работ, обработке заготовок.

Чугун высокой прочности

В чёрной металлургии высокопрочным материалом называют чугун, имеющий в молекулярной структуре графитные вкрапления, форма которых сфероидальная. Уникальное отношение поверхности шаровидного графита к объёму обеспечивает формирование металлической основы, то есть влияет на прочность. Плавление металла с интеграцией шаровидного графита не допускает трещин. Образуются новые свойства металла: становится прочным при силовом воздействии на изгиб. Кроме этого, демонстрирует:

• вязкость при мгновенных ударах;
• повышение коэффициента текучести;
• небольшое удлинение, которое можно назвать относительным явлением.
• уникальную сопротивляемость при сжатии;
• износостойкость.

Этот вид поддаётся сварке. Соединение металла осуществляется с помощью флюсов, применяемых в виде пастообразных консистенций.

Сверхпрочный чугунный материал обладает отличными свойствами литья. Прекрасная текучесть в жидком состоянии обеспечивает образцовое наполнение форм. По некоторым технологическим параметрам материал можно сравнивать со сталью.

Учитывая отличные конструктивные свойства, на заводах производят детали для узлов и систем, если они не испытывают при эксплуатации машин и механизмов силовых нагрузок на растяжение.

Электрические характеристики

Электропроводность чугуна оценивают с помощью закона Курнакова. Электросопротивление некоторых видов приведено ниже:

• белый чугун — 70±20 Мк·ои·см.
• серый чугун — 80±40 Мк·ои·см.
• ковкий чугун — 50±20 Мк·ои·см.

По ослабевающему действию на электросопротивление элементы твердого чугуна можно расположить так: первый – кремний, второй – марганец, третий- хром, четвертый — никель, пятый – кобальт.

Химические свойства

Сопротивление коррозии материала зависит от внешней среды и его структуры. Если рассматривать чугун со стороны убывающего электродного потенциала, то его составляющие имеют следующее расположение: графит-цементит, фосфидная эвтектика-феррит.

Следует отметить, что разность потенциалов между графитом и ферритом равняется 0,56 В. В случае увеличения дисперсности, сопротивление коррозии становится меньше. При сильном уменьшении дисперсности происходит обратное действие, сопротивление коррозии уменьшается. На сопротивление чугуна так же влияют легирующие элементы.

Влияние примесей на характеристики металла

Промышленный чугун содержит примеси. Эти примеси сильно сказываются на свойствах, характеристиках и структуре чугуна.

• Так, марганец тормозит процесс графитизации. Выделение графита приостанавливается, в результате чугун приобретает способность отбеливаться.
• Сера ухудшает литейные и механические характеристики.
• Сульфиды в основном образуются в сером чугуне.
• Фосфор улучшает литейные свойства, увеличивает износостойкость и повышает твердость. Однако на этом фоне чугун все же остается хрупким.
• Кремний больше всех влияет на структуру материала. В зависимости от количества кремня получаются белый и ферритный чугун.

Для получения определенных характеристик в чугун часто вводят специальные примеси при его изготовлении. Такие материалы получили название легированные чугуны. В зависимости от добавленного элемента чугуны могут называться алюминиевыми, хромистыми, серными. В основном элементы вводят с целю получить износостойкий, жаропрочный, немагнитный и коррозионностойкий материал.

В данном видео будет приведено сравнение свойств чугуна и стали:

Жаростойкость чугуна

Жаростойкость характеризует работоспособность чугуна при повышенных н высоких температурах в условиях действия малых нагрузок, когда главной причиной разрушения отливок является образование окалины или трещин. Наблюдается также необратимое изменение размеров отливок, которое принято называть постом. Жаростойкость оценивается по окалиностойкость — увеличению массы отливки в г/(м2∗ч) и ростоустойчивости — уменьшению плотности чугуна или увеличению длины образца за 150 часов выдержки при соответствующей температуре. Для жаростойких чугунов при соответствующей температуре увеличение массы образца не должно превосходить 0,5 г/м2, а длины 0,2%. Рост чугуна возрастает с повышением температуры и продолжительности выдержки, увеличением числа циклов колебаний температуры (особенно при переходе через критический интервал) скорости изменения температуры и агрессивности среды (рис. 1, а). Причинами вызывающими рост чугуна, являются также графитизация и другие Фазовые превращения, протекающие с увеличением объема фаз, деление основного металла и легирующих элементов, растворение графита и порообразование, релаксация напряжений.

В наиболее неблагоприятных условиях например при циклическом изменении температуры в агрессивной среде необратимое увеличение объема может достигать 20, а иногда 50—100%. Характерными признаками роста являются резкое понижение механических свойств и образование сетки разгара на поверхности отливок.
Рис. 1. Изменение объема (а) и рост чугуна (б) в зависимости от числа циклов нагрева до 900 °С: a — серый чугун с пластинчатым графитом; нагрев; 1 — в водороде; 2 — в вакууме; 3 — в атмосфере печных газов; 4 — в С02; б — чугуны с ферритной основой; 1 — марки СЧ состава 3,27—3,43% С; 2,19—2,23% Si; 0,47—0,68% Мn, 0,13—0,20% Р, до 0,15% S; 2 — марки ВЧ того же состава, кроме того, до 0,01% Si 0,05—0,077% Mg; 1,5-1,95% Ni
Измельчение и уменьшение количества графита и размера эвтектического зерна, замена перлита ферритом в структуре повышают окалиностойкость и ростоустойчивость чугунов марок СЧ. Этому способствуют уменьшение содержания С и Si, замена обычного чугуна модифицированным, низкое легирование Cr, Ni и другими элементами, Более высокой окалиностойкостыо и ростоустойчивостью обладает высокопрочный чугун (рис. 1, б). Ковкий чугун с типичным для него выделением углерода отжига занимает при одной и той же матрице промежуточное положение между чугунами марок.

На воздухе чугун марки СЧ сохраняет повышенную стойкость при температурах до 450—500 °С, а в атмосфере печных газов лишь до 350 °С, в атмосфере водяного пара не выше 300 °С. Явление роста в высокопрочном чугуне с шаровидным графитом (ВЧШГ) практически не наблюдается при температурах до 400—500 °С.

При более высоких температурах следует применять специальные легированные чугуны. Наиболее часто для повышения жаростойкости используют легирование Si, Al и Cr.

Влияние Si и Al на окалиностойкость и ростоустойчивость чугуна не однозначно (рис. 2). При небольших добавках этих элементов в обычный чугун с пластинчатым графитом рассматриваемые свойства ухудшаются. Даже незначительное количество Si в белых чугунах резко понижает их жаростойкость. Однако при достаточно высоком содержании Si и Al стойкость чугуна против окисления и роста резка повышается.

Благоприятные результаты действия высоких концентраций Si на окалииостой кость и ростоустойчивость связаны с получением стабильной структуры графит + кремнеферрит. По мере увеличения содержания Si критические точки располагаются при более высокой температуре. Так, при 6% Si точка Дс, располагается около 950 °С, а при 7% Si — около 1000 °С. Кремний, входя в твердый раствор, повышает температуру образования непрочной вюститной фазы (Fe3O4), т. е. увеличивает стойкость металлической основы против окисления.

Влияние А1 на жаростойкость чугуна проявляется прежде всего путем образования им защитных оксидных пленок. Алюминий повышает температуру возникновения вюститной фазы и способствует образованию оксидных пленок с шпииельиьш типом решетки (FeO∗Al2O3).

На уменьшение роста и окисления отливок хром влияет уже при небольших количествах (0,5—1,5%; рис. 2, а).Ввод хрома в таких количествах тормозит графитизацию эвтектоидного цементита, измельчает включения графита н повышает сопротивляемость окислению металлической основы вследствие повышения температуры образования вюститной фазы. Максимального уровня эти свойства достигают при Сг>15%. Большинство жаропрочных хромистых чугунов (>10% Сr) относятся к типу белых чугунов.
Рис. 2. Влияние содержания легирующих элементов на окисление (увеличение массы) (а) и линейный рост (б) чугуна при 1223—1273 К 261: 1, 1′ — увеличение содержания Si в обычном и высокопрочном чугуне соответственно; 2, 2′ — увеличение содержания Al; 3 — увеличение содержания Сr Таблица 1. Жаростойкость некоторых легированных чугунов (ГОСТ 7769-82)

Чугун	Характеристика условий
Хромистые чугуны
ЧХ1	В воздушной среде до 500 °C
ЧХ2	То же, до 600 °C
ЧХ3	» до 650 °C
ЧХ16	» до 900 °C
ЧХ28	В расплавах солей до 900 °C, в газовых пределах до 1100 — 1150 °C
ЧХ32	То же
ЧХ28П	В цинковых расплавах до 500 °C
Никелевые чугуны
ЧНМШ	Термостойкость до 500 °C
ЧН19Х3Ш	Жаростойкость до 600 °C
ЧН11Г7Ш	То же
Кремнистые чугуны
ЧС5	В топочных и генераторных газах, в воздушной среде до 700 °C
ЧС5Ш	То же, до 800 °C
ЧС13	В кислотах, кроме плавиковой и соляной, до 200 °C
ЧС15	То же
ЧС17	»
Алюминиевые чугуны
ЧЮХШ	В атмосфере воздуха и печных газов до 650 °C
ЧЮ7Х2	То же, до 750 °C
ЧЮ6С5	» до 800 °C
ЧЮ22Ш	В воздушной среде до 1000 — 1100 °C, повышенная в газовой среде, содержащей S, пары воды
ЧЮ30	В воздушной среде до 1100 °C

Х — хром; Н — никель; М — молибден; Г — марганец; С — кремний; Ю — алюминий; П — фосфор; Ш — чугун с шаровидным графитом.

Никель повышает жаростойкость даже при относительно небольших добавках (до 1,5-2,0). Однако это влияние ощутимо лишь в области относительно низких температур. Жаростойкость непрерывно повышается с ростом концентрации в них N4. Жаростойкими при 1220 К являются чугуны, содержащие не менее 25% Ni. При таких концентрациях никеля чугуны имеют однофазную аустенитную структуру металлической основы.

Наиболее эффективно для повышения жаростойкости и сохранения других свойств комплексное легирование, например, Сr и Ni, Сг и Cu, Si и А1 и др.

Источник