Свойства структурных составляющих чугуна
Чугун представляет собой сплав железа с углеродом и примесями кремния, марганца, серы и фосфора. Является наиболее популярным видом литейных материалов, применяющихся в промышленности.
По структуре в зависимости от температуры и содержания углерода подразделяется на следующие фазы:
- Аустенит (твердый раствор углерода в ү-железе);
- Феррит (твердый раствор углерода в α-железе);
- Цементит (химическое соединение железа с углеродом – карбид железа);
- Перлит (механическая смесь феррита и цементита);
- Ледебурит (механическая смесь аустенита и цементита);
- Графит (свободный углерод в основной массе металла в виде пластинок или зерен).
Физические и механические свойства структурных составляющих чугуна приведены в таблице (см. табл. 1).
|
Структурная составляющая |
Удельный вес, г/см³ |
Коэффициент теплового расширения, а*10-1/°С при температуре 20-100 °С |
Теплоемкость, кал/Г*°С |
Теплопроводность, кал/см*сек °С |
Электросопротивление, мкОм |
Предел прочности при растяжении, кг/мм² |
Удлинение, % |
Твердость, НВ |
|||||
|
100 |
200 |
400 |
600 |
900 |
|||||||||
|
Аустенит |
— |
17-24 |
0,12 |
— |
— |
— |
— |
0,1 |
— |
— |
50 ± 10 |
— |
|
|
Феррит |
7,9 |
12-12,5 |
0,11 |
0,12 |
0,13 |
0,13 |
0,17 |
10 |
40 ± 10 |
40 ± 10 |
40 ± 10 |
85 ± 35 |
|
|
Перлит |
7,8 |
10-11 |
— |
— |
— |
— |
— |
0,12 |
20 |
100 ± 30 |
— |
— |
|
|
Цементит |
7,7 |
6-8,5 |
0,15 |
0,15 |
0,15 |
0,16 |
0,19 |
0,017 |
140 |
4 ± 1 |
0 |
600 ± 100 |
|
|
Графит |
2,2-2,3 |
7,5-8 |
0,2 |
0,22 |
0,27 |
0,31 |
0,36 |
0,36 |
150 |
||||
Таблица 1
Виды и структура чугунов
Металлургическая промышленность выпускает несколько видов чугуна. Наиболее широкое применение в народном хозяйстве нашли белый, серый, ковкий и высокопрочный.
Белый чугун отличается от других характерным микроструктурным составом и свойствами – обладает высокой твердостью. Применяется при изготовлении деталей, работающих в условиях высоких нагрузок и износа (валы, шестерни, инструмент для обработки металла и т. п.).
Микроструктура белого чугуна
Серый чугун признан самым распространенным среди всех остальных чугунов. Отличается высокими литейными свойствами, способностью к амортизации. Применяется для изготовления блоков цилиндров двигателей, литейных плит, труб и др. изделий, работающих в условиях вибрации или под воздействием ударных нагрузок.
Микроструктура серого чугуна
Ковкий чугун обладает особой микроструктурой (графит присутствует в виде сферических частиц). Особенностями ковкого чугуна являются высокая прочность и устойчивость к ударным нагрузкам, способность к пластическим деформациям. Он способен выдерживать значительные механические нагрузки без деформации или разрушения. Эти свойства сделали серый чугун незаменимым при производстве деталей сложной формы с последующей механической обработкой.
Микроструктура ковкого чугуна
Высокопрочный чугун обладает повышенной прочностью. Применяется там, где требуется износостойкость и устойчивость к ударам – в автомобильной промышленности, машиностроении, энергетике и т. д.
Микроструктура высокопрочного чугуна
В таблице 2 приведены физические свойства и их значения основных видов чугунов.
|
Тип чугуна |
Белый |
Серый |
Ковкий |
Примечание, с повышением температуры: «+» - повышается; «-» - понижается |
|
Удельный вес, г/см³ |
7,5 ± 0,2 |
7,1 ± 0,2 |
7,3 ± 0,1 |
— |
|
Коэффициент теплового линейного расширения, а*10-В1/°С, при температурах 20-100 °С |
8 ± 2 |
10 ± 2 |
11 ± 1 |
+ |
|
Действительная усадка, % |
1,8 ± 0,2 |
1,1 ± 0,2 |
— |
+ |
|
Теплопроводность, кал/см*сек °С |
0,08 ± 0,02 |
0,10 ± 0,02 |
0,13 ± 0,02 |
— |
|
Динамическая вязкость при температуре ликвидус дин*сек/см² |
0,08 |
0,04 |
— |
— |
|
Поверхностное натяжение, дин/см² |
900 ± 100 |
900 ± 100 |
— |
+ |
|
Электросопротивление, Мк*Ом*см |
70 ± 20 |
80 ± 40 |
50 ± 20 |
+ |
|
Теплоемкость, кал/г*°С |
0,13 ± 0,02 |
0,12 ± 0,02 |
0,12 ± 0,02 |
+ |
|
Коэрцитивная сила, э |
13 ± 2 |
10 ± 1 |
1,5 ± 0,5 |
— |
|
Остаточный магнетизм, гс |
5000 ± 1000 |
5000 ± 1000 |
5000 ± 1000 |
— |
Таблица 2
Преимущества и недостатки чугуна
Как и все материалы чугун обладает положительными и отрицательными свойствами. К основным преимуществам относится высокая литейная способность. Из чугуна легко отливаются достаточно сложные по форме изделия.
Декор из чугуна
Чугун является износостойким материалом. Этому способствует его высокая прочность.
Способность поглощать вибрации стала основой применения этого материала в производстве изделий, работающих в условиях наличия ударных нагрузок.
Антикоррозийная стойкость чугуна находится на высоком уровне. Как правило, ржавчина на чугунных изделиях поверхностная, не проникающая в глубину.
С экономической точки зрения выплавка чугуна обходится намного дешевле, чем других металлов.
Чугун легко поддается механическим видам обработки – точение, шлифование. Эти свойства стали определяющими при его применении в машиностроении.
Изделия из чугуна
К сожалению, чугуну присущи ряд недостатков, ограничивающих сферу его использования. Основными из них являются хрупкость, трудность сварки и большой вес. Для улучшения характеристик материала в него вводятся различные добавки, такие как медь, хром, никель, титан, молибден и др. Несмотря на имеющиеся недостатки востребованность чугуна, особенно в автомобилестроении, энергетике, тяжелом и металлургическом машиностроении, санитарно-технической промышленности остается на высоком уровне.
Испытания чугуна
Состав чугуна и способ производства имеют решающее значение для определения его характеристик. В процессе плавки и перед отправкой потребителю отливки подлежат испытаниям их качества. В дальнейшем, при обработке и изготовлении изделий, материал так же проверяется на соответствие заявленным характеристикам.
Чугун, как и любой металл, испытывается на:
- Кручение;
- Растяжение;
- Сжатие;
- Изгиб;
- Контактную и механическую усталость;
- Определение временного сопротивления и относительного удлинения;
- Содержание вредных примесей и др.
Каждый вид испытаний регламентирован соответствующими руководящими документами. Так, ГОСТ 27208-87 «Отливки из чугуна. Методы механических испытаний» определяет порядок проведения испытаний на растяжение, на сжатие и на изгиб.
Определение твердости по Бринеллю и по Роквеллу осуществляются в соответствии с требованиями ГОСТ 9012-59 и ГОСТ 9013-59.
Группой стандартов ГОСТ 22536.0-87 – ГОСТ 22536.12-87 установлены методы анализа химического состава чугуна.
Методика проведения испытаний разнообразна и определяется ГОСТ 22536.0-87 (например, ГОСТ 27809-95 определяет методы спектрографического анализа).
