Čugunsir dzelzs-oglekļa sakausējumu grupa ar oglekļa saturu lielāku par 2%.Tā lietderību nosaka salīdzinoši zemā kušanas temperatūra.Sakausējuma sastāvdaļas ietekmē tā krāsu, kad tas saplīst: baltajam čugunam ir karbīda piemaisījumi, kas ļauj taisni iziet cauri plaisām, pelēkajam čugunam ir grafīta pārslas, kas novirza pārejošo plaisu un rada neskaitāmas jaunas plaisas, materiālam plīstot, un kaļajam čugunam ir sfēriskas formas. grafīta "mezgliņi", kas aptur plaisas tālāku progresēšanu.

Ogleklis (C) no 1,8 līdz 4 masas % un silīcijs (Si) 1–3 % ir galvenie čuguna leģējošie elementi.Dzelzs sakausējumi ar zemāku oglekļa saturu ir pazīstami kā tērauds.

Čuguns mēdz būt trausls, izņemot kaļamos čugunus.Ar salīdzinoši zemo kušanas temperatūru, labu plūstamību, liejamību, lielisku apstrādājamību, izturību pret deformāciju un nodilumizturību, čuguns ir kļuvis par inženiertehnisko materiālu ar plašu pielietojumu un tiek izmantots caurulēs, mašīnās un automobiļu rūpniecības daļās, piemēram, cilindros. galvas, cilindru bloki un ātrumkārbu korpusi.Tas ir izturīgs pret oksidācijas izraisītiem bojājumiem.

Agrākie čuguna artefakti ir datēti ar 5. gadsimtu pirms mūsu ēras, un tos atklāja arheologi mūsdienu Dzjansu teritorijā Ķīnā.Čuguns tika izmantots senajā Ķīnā karadarbībā, lauksaimniecībā un arhitektūrā.15. gadsimtā čuguns tika izmantots lielgabaliem Burgundijā, Francijā un Anglijā reformācijas laikā.Lielgabaliem izmantotais čuguna daudzums prasīja liela mēroga ražošanu. Pirmo čuguna tiltu 1770. gados uzcēla Ābrahams Darbijs III, un tas ir pazīstams kā Dzelzs tilts Šropšīrā, Anglijā.Čuguns tika izmantots arī ēku celtniecībā.

Leģējošie elementi

Čuguna īpašības tiek mainītas, pievienojot dažādus leģējošus elementus jeb sakausējumus.Līdzās ogleklim silīcijs ir vissvarīgākais sakausējums, jo tas izspiež oglekli no šķīduma.Zems silīcija procentuālais daudzums ļauj ogleklim palikt šķīdumā, veidojot dzelzs karbīdu un baltā čuguna ražošanu.Liels silīcija procentuālais daudzums izspiež oglekli no šķīduma, veidojot grafītu un pelēkā čuguna ražošanu.Citas leģējošās vielas, mangāns, hroms, molibdēns, titāns un vanādijs, neitralizē silīciju, veicina oglekļa aizturi un šo karbīdu veidošanos.Niķelis un varš palielina izturību un apstrādājamību, bet nemaina izveidotā grafīta daudzumu.Ogleklis grafīta formā rada mīkstāku dzelzi, samazina saraušanos, pazemina izturību un samazina blīvumu.Sērs, kas lielākoties ir piesārņotājs, ja tāds ir, veido dzelzs sulfīdu, kas novērš grafīta veidošanos un palielina cietību.Sēra problēma ir tā, ka tas padara izkausētu čugunu viskozu, kas izraisa defektus.Lai novērstu sēra ietekmi, tiek pievienots mangāns, jo tie abi veido mangāna sulfīdu, nevis dzelzs sulfīdu.Mangāna sulfīds ir vieglāks par kausējumu, tāpēc tam ir tendence izpeldēt no kausējuma un nonākt sārņos.Sēra neitralizācijai nepieciešamais mangāna daudzums ir 1,7 × sēra saturs + 0,3%.Ja mangāna daudzums ir lielāks par šo, veidojas mangāna karbīds, kas palielina cietību un atdzesēšanu, izņemot pelēko dzelzi, kur līdz 1% mangāna palielina izturību un blīvumu.

Niķelis ir viens no visizplatītākajiem sakausējuma elementiem, jo ​​tas uzlabo perlīta un grafīta struktūru, uzlabo stingrību un izlīdzina cietības atšķirības starp sekciju biezumiem.Hromu pievieno nelielos daudzumos, lai samazinātu brīvā grafīta daudzumu, radītu vēsumu un tāpēc, ka tas ir spēcīgs karbīda stabilizators;niķelis bieži tiek pievienots kopā.Kā 0,5% hroma aizstājēju var pievienot nelielu daudzumu alvas.Vara tiek pievienota kausā vai krāsnī apmēram 0,5–2,5%, lai samazinātu aukstumu, attīrītu grafītu un palielinātu plūstamību.Molibdēnu pievieno apmēram 0,3–1%, lai palielinātu vēsumu un uzlabotu grafīta un perlīta struktūru;to bieži pievieno kopā ar niķeli, varu un hromu, lai veidotu augstas stiprības gludekļus.Titāns tiek pievienots kā degazētājs un deoksidētājs, taču tas arī palielina plūstamību.0,15–0,5% vanādija pievieno čugunam, lai stabilizētu cementītu, palielinātu cietību un palielinātu izturību pret nodilumu un karstumu.0,1–0,3% cirkonija palīdz veidot grafītu, deoksidēties un palielināt plūstamību.

Kaļamā čuguna kausēs tiek pievienots bismuts 0,002–0,01% mērogā, lai palielinātu silīcija pievienošanas daudzumu.Baltajā čugunā boru pievieno, lai veicinātu kaļamā čuguna ražošanu;tas arī samazina bismuta rupjo efektu.

Pelēks čuguns

Pelēkajam čugunam ir raksturīga grafīta mikrostruktūra, kas materiāla lūzumiem rada pelēku izskatu.Tas ir visbiežāk izmantotais čuguns un visplašāk izmantotais čuguns, pamatojoties uz svaru.Lielākajai daļai čugunu ķīmiskais sastāvs ir 2,5–4,0% oglekļa, 1–3% silīcija un pārējā dzelzs.Pelēkajam čugunam ir mazāka stiepes izturība un triecienizturība nekā tēraudam, taču tā spiedes izturība ir pielīdzināma zema un vidēja oglekļa satura tēraudam.Šīs mehāniskās īpašības kontrolē mikrostruktūrā esošo grafīta pārslu izmērs un forma, un tās var raksturot saskaņā ar ASTM sniegtajām vadlīnijām.

Balts čuguns

Baltajam čugunam ir baltas saplīsušas virsmas, jo tajās ir dzelzs karbīda nogulsnes, ko sauc par cementītu.Ar mazāku silīcija saturu (grafitizētājs) un ātrāku dzesēšanas ātrumu baltajā čugunā esošais ogleklis izgulsnējas no kausējuma kā metastabilās fāzes cementīts, Fe.₃C, nevis grafīts.Cementīts, kas izgulsnējas no kausējuma, veidojas kā salīdzinoši lielas daļiņas.Dzelzs karbīdam nogulsnējot, tas izņem oglekli no sākotnējā kausējuma, virzot maisījumu uz to, kas ir tuvāks eitektikai, un atlikušā fāze ir zemākais dzelzs-oglekļa austenīts (kas atdzesējot var pārveidoties par martensītu).Šie eitektiskie karbīdi ir pārāk lieli, lai nodrošinātu tā saukto nokrišņu sacietēšanu (kā dažos tēraudos, kur daudz mazākas cementīta nogulsnes var kavēt [plastisko deformāciju], kavējot dislokāciju kustību caur tīro dzelzs ferīta matricu).Drīzāk tie palielina čuguna tilpuma cietību, vienkārši pateicoties to ļoti augstajai cietībai un ievērojamajai tilpuma daļai, tā ka tilpuma cietību var tuvināt ar maisījumu noteikumu.Jebkurā gadījumā tie piedāvā cietību uz stingrības rēķina.Tā kā karbīds veido lielu daļu no materiāla, balto čugunu var pamatoti klasificēt kā metālkeramikas.Baltais dzelzs ir pārāk trausls, lai to izmantotu daudzos strukturālos komponentos, taču ar labu cietību un nodilumizturību un salīdzinoši zemām izmaksām to var izmantot tādos lietojumos kā vircas sūkņu nodiluma virsmas (lāpstiņritenis un spirāle), čaulu čaulas un pacēlāja stieņi lodītēs. dzirnavas un autogēnās malšanas dzirnavas, lodītes un gredzeni ogļu pulverizatoros, kā arī ekskavatora rakšanas kausa zobi (lai gan šim lietojumam biežāk tiek izmantots liets vidēja oglekļa martensīta tērauds).

Ir grūti pietiekami ātri atdzesēt biezus lējumus, lai kausējums līdz galam sacietētu kā balts čuguns.Tomēr ātru dzesēšanu var izmantot, lai sacietētu baltā čuguna apvalku, pēc kura atlikums atdziest lēnāk, veidojot pelēkā čuguna serdi.Iegūtais lējums, ko sauc par aatdzesēta liešana, ir cietas virsmas priekšrocības ar nedaudz stingrāku interjeru.

Baltā dzelzs sakausējumi ar augstu hroma saturu ļauj masīvus lējumus (piemēram, 10 tonnu lāpstiņriteni) liet ar smiltīm, jo ​​hroms samazina dzesēšanas ātrumu, kas nepieciešams, lai ražotu karbīdus, izmantojot lielāku materiāla biezumu.Hroms ražo arī karbīdus ar iespaidīgu nodilumizturību.Šie sakausējumi ar augstu hroma saturu savu izcilo cietību nosaka hroma karbīdu klātbūtne.Šo karbīdu galvenā forma ir eitektiskais jeb primārais M₇C₃karbīdi, kur "M" apzīmē dzelzi vai hromu un var atšķirties atkarībā no sakausējuma sastāva.Eitektiskie karbīdi veidojas kā dobu sešstūra stieņu kūļi un aug perpendikulāri sešstūra pamatplaknei.Šo karbīdu cietība ir diapazonā no 1500 līdz 1800 HV.

Kaļamais čuguns

Kaļamais čuguns sākas kā baltā čuguna lējums, kas pēc tam tiek termiski apstrādāts vienu vai divas dienas aptuveni 950 °C (1740 °F) temperatūrā un pēc tam atdzesēts vienas vai divu dienu laikā.Rezultātā ogleklis dzelzs karbīdā pārvēršas grafītā un ferītā plus oglekli (austenītu).Lēnais process ļauj virsmas spraigumam veidot grafītu sferoidālās daļiņās, nevis pārslās.Zemākas malu attiecības dēļ sferoīdi ir salīdzinoši īsi un tālu viens no otra, un tiem ir mazāks šķērsgriezums, salīdzinot ar plaisu vai fononu.Tām ir arī neasas robežas, atšķirībā no pārslām, kas mazina pelēkā čuguna stresa koncentrācijas problēmas.Kopumā kaļamā čuguna īpašības ir vairāk līdzīgas vieglā tērauda īpašībām.Ir ierobežots, cik lielu daļu var atliet no kaļamā čuguna, jo tā ir izgatavota no baltā čuguna.

Kaļamais čuguns