Чугунпредставляет собой группу железоуглеродистых сплавов с содержанием углерода более 2%.Его полезность обусловлена ​​его относительно низкой температурой плавления.Компоненты сплава влияют на его цвет при разрушении: белый чугун содержит карбидные примеси, которые позволяют трещинам проходить прямо, серый чугун имеет чешуйки графита, которые отклоняют проходящие трещины и инициируют бесчисленное количество новых трещин при разрушении материала, а ковкий чугун имеет сферическую форму. графитовые «узелки», которые препятствуют дальнейшему развитию трещины.

Углерод (С) в количестве от 1,8 до 4 мас.% и кремний (Si) 1–3 мас.% являются основными легирующими элементами чугуна.Сплавы железа с более низким содержанием углерода известны как стали.

Чугун имеет тенденцию быть хрупким, за исключением ковкого чугуна.Благодаря относительно низкой температуре плавления, хорошей текучести, литейным свойствам, превосходной обрабатываемости, устойчивости к деформации и износостойкости чугун стал конструкционным материалом с широким спектром применения и используется в трубах, машинах и деталях автомобильной промышленности, таких как цилиндры. головки, блоки цилиндров и корпуса коробки передач.Он устойчив к повреждениям в результате окисления.

Самые ранние чугунные артефакты датируются V веком до нашей эры и были обнаружены археологами на территории современного Цзянсу в Китае.Чугун использовался в древнем Китае для войны, сельского хозяйства и архитектуры.В 15 веке чугун стал использоваться для изготовления пушек в Бургундии, Франции и в Англии во время Реформации.Количество чугуна, используемого для пушек, требовало крупномасштабного производства. Первый чугунный мост был построен в 1770-х годах Авраамом Дарби III и известен как Железный мост в Шропшире, Англия.Чугун также использовался при строительстве зданий.

Легирующие элементы

Свойства чугуна изменяются путем добавления различных легирующих элементов или присадок.После углерода кремний является наиболее важным легирующим веществом, поскольку он вытесняет углерод из раствора.Низкий процент кремния позволяет углероду оставаться в растворе, образуя карбид железа и производя белый чугун.Высокий процент кремния вытесняет углерод из раствора с образованием графита и производства серого чугуна.Другие легирующие агенты, марганец, хром, молибден, титан и ванадий, противодействуют кремнию, способствуют удержанию углерода и образованию этих карбидов.Никель и медь повышают прочность и обрабатываемость, но не изменяют количество образующегося графита.Углерод в форме графита делает железо более мягким, уменьшает усадку, снижает прочность и плотность.Сера, которая, если она присутствует, в основном является загрязнителем, образует сульфид железа, который предотвращает образование графита и увеличивает твердость.Проблема серы в том, что она делает расплавленный чугун вязким, что приводит к дефектам.Чтобы противостоять воздействию серы, добавляют марганец, поскольку они образуют сульфид марганца, а не сульфид железа.Сульфид марганца легче расплава, поэтому он имеет тенденцию всплывать из расплава в шлак.Количество марганца, необходимое для нейтрализации серы, составляет 1,7 × содержание серы + 0,3%.Если добавить больше этого количества марганца, то образуется карбид марганца, повышающий твердость и охлаждение, за исключением серого чугуна, где до 1% марганца увеличивает прочность и плотность.

Никель является одним из наиболее распространенных легирующих элементов, поскольку он улучшает структуру перлита и графита, повышает ударную вязкость и выравнивает разницу в твердости между толщинами сечений.Хром добавляют в небольших количествах для уменьшения содержания свободного графита, получения охлаждения и потому, что он является мощным стабилизатором карбида;никель часто добавляют вместе.Вместо 0,5% хрома можно добавить небольшое количество олова.Медь добавляют в ковше или печи в количестве 0,5–2,5 % для уменьшения холода, рафинирования графита и повышения текучести.Молибден добавляют порядка 0,3–1% для увеличения охлаждения и улучшения структуры графита и перлита;его часто добавляют вместе с никелем, медью и хромом для получения высокопрочного железа.Титан добавляется в качестве дегазатора и раскислителя, но он также повышает текучесть.В чугун добавляют 0,15–0,5 % ванадия для стабилизации цементита, повышения твердости, повышения стойкости к износу и нагреву.0,1–0,3 % циркония способствует образованию графита, раскислению и повышению текучести.

В расплавы ковкого железа добавляют висмут в количестве 0,002–0,01%, чтобы увеличить количество добавляемого кремния.В белый чугун бор добавляется для получения ковкого железа;это также уменьшает огрубляющий эффект висмута.

Серый чугун

Серый чугун характеризуется графитовой микроструктурой, из-за которой изломы материала имеют серый вид.Это наиболее часто используемый чугун и наиболее широко используемый литой материал в зависимости от веса.Большинство чугунов имеют химический состав: 2,5–4,0% углерода, 1–3% кремния, а остальное — железа.Серый чугун обладает меньшей прочностью на разрыв и ударопрочностью, чем сталь, но его прочность на сжатие сравнима с низко- и среднеуглеродистой сталью.Эти механические свойства контролируются размером и формой графитовых чешуек, присутствующих в микроструктуре, и могут быть охарактеризованы в соответствии с рекомендациями ASTM.

Белый чугун

Белый чугун имеет белые изломанные поверхности из-за присутствия осадка карбида железа, называемого цементитом.При более низком содержании кремния (графитирующего агента) и более высокой скорости охлаждения углерод в белом чугуне выделяется из расплава в виде метастабильной фазы цементита Fe.₃C, а не графит.Цементит, выпадающий из расплава, образует относительно крупные частицы.По мере выпадения карбида железа он забирает углерод из исходного расплава, перемещая смесь в сторону смеси, более близкой к эвтектике, а оставшаяся фаза представляет собой низший железоуглеродистый аустенит (который при охлаждении может превратиться в мартенсит).Эти эвтектические карбиды слишком велики, чтобы обеспечить преимущества так называемого дисперсионного твердения (как в некоторых сталях, где гораздо меньшие выделения цементита могут ингибировать [пластическую деформацию], препятствуя движению дислокаций через матрицу чистого феррита железа).Скорее, они увеличивают объемную твердость чугуна просто за счет своей очень высокой твердости и значительной объемной доли, так что объемную твердость можно аппроксимировать правилом смесей.В любом случае, они предлагают твердость в ущерб прочности.Поскольку карбид составляет большую часть материала, белый чугун можно с полным основанием классифицировать как металлокерамику.Белый чугун слишком хрупок для использования во многих конструктивных компонентах, но благодаря хорошей твердости и стойкости к истиранию и относительно низкой стоимости он находит применение в таких областях применения, как поверхности износа (крыльчатка и улитка) шламовых насосов, гильзы корпуса и подъемные стержни в шариках. мельницы и мельницы самоизмельчения, шары и кольца в угольных измельчителях, а также зубья ковша экскаватора-экскаватора (хотя для этого применения чаще используется литая среднеуглеродистая мартенситная сталь).

Трудно охладить толстые отливки достаточно быстро, чтобы полностью затвердеть расплавом в виде белого чугуна.Однако быстрое охлаждение можно использовать для затвердевания оболочки из белого чугуна, после чего остальная часть остывает медленнее с образованием ядра из серого чугуна.Полученная в результате отливка, называемаяохлажденное литье, имеет преимущества твердой поверхности и несколько более жесткой внутренней части.

Сплавы белого железа с высоким содержанием хрома позволяют отливать в песчаные формы массивные отливки (например, 10-тонное рабочее колесо), поскольку хром снижает скорость охлаждения, необходимую для производства карбидов из-за большей толщины материала.Хром также дает карбиды с впечатляющей стойкостью к истиранию.Эти сплавы с высоким содержанием хрома объясняют свою превосходную твердость наличием карбидов хрома.Основной формой этих карбидов являются эвтектические или первичные М.₇C₃карбиды, где «М» означает железо или хром и может варьироваться в зависимости от состава сплава.Эвтектические карбиды формируются в виде пучков полых шестиугольных стержней и растут перпендикулярно базовой плоскости шестиугольника.Твердость этих карбидов находится в пределах 1500-1800HV.

Ковкий чугун

Ковкий чугун начинается с отливки из белого чугуна, которую затем подвергают термообработке в течение дня или двух при температуре около 950 ° C (1740 ° F), а затем охлаждают в течение дня или двух.В результате углерод в карбиде железа превращается в графит и феррит плюс углерод (аустенит).Медленный процесс позволяет поверхностному натяжению превращать графит в сфероидальные частицы, а не в хлопья.Из-за меньшего соотношения сторон сфероиды относительно короткие и далеки друг от друга, а также имеют меньшее поперечное сечение по сравнению с распространяющейся трещиной или фононом.Они также имеют тупые границы, в отличие от чешуек, что облегчает проблемы с концентрацией напряжений, присущие серому чугуну.В целом свойства ковкого чугуна больше похожи на свойства мягкой стали.Существует предел размера детали, которую можно отлить из ковкого чугуна, поскольку она изготавливается из белого чугуна.

Ковкий чугун