Виды чугуна: классификация, марки и применение
Белый чугун
В белом чугуне весь углерод находится в форме проникающего углерода (Fe3C), что приводит к ярко-белой поверхности излома.
Из-за этого его называют белым чугуном.
Однако из-за высокой концентрации твердого и хрупкого Fe3C белый чугун обладает высоким уровнем твердости, но при этом очень хрупок и трудно поддается обработке.
В результате он не используется непосредственно в промышленности, за исключением некоторых областей, где требуется износостойкость без ударных нагрузок, таких как фильеры для волочения проволоки и железные шары для шаровых мельниц.
Вместо этого он в основном используется в качестве сырья для выплавки стали и производства ковкого чугуна.
Серый чугун
В чугуне большая часть или весь углерод находится в свободном состоянии в виде листообразного графита, что приводит к серой поверхности излома.
Серый чугун обладает хорошими литейными свойствами, легко поддается механической обработке, имеет хорошую износостойкость, простые процессы плавки и дозирования, а также низкую стоимость, что позволяет широко использовать его для производства отливок со сложной структурой и износостойких деталей.
По структуре матрицы серый чугун можно разделить на серый чугун на основе феррита, серый чугун на основе перлита и серый чугун на основе перлита.
Благодаря наличию чешуйчатого графита серый чугун обладает низкой плотностью, прочностью, твердостью и нулевой пластичностью и вязкостью.
Существование этого графита аналогично наличию множества мелких насечек на стальной подложке, что уменьшает площадь опоры и увеличивает количество трещин, что приводит к низкой прочности и плохой вязкости серого чугуна и делает его непригодным для обработки давлением.
Для улучшения свойств в расплавленный чугун перед разливкой добавляют некоторые затравки, такие как ферросилиций и силикат кальция, которые рафинируют перлитную матрицу.
Mлегированное железо
Изделия из ковкого чугуна изготавливаются на основе белого чугуна, который отливается из железоуглеродистого сплава с низким содержанием углерода и кремния. После длительной высокотемпературной обработки отжигЦементит распадается на скопления флокулирующего графита, в результате чего получается тип графитированного белого чугуна.
По микроструктуре после термообработки ковкий чугун можно разделить на два типа: ковкий чугун с черной сердцевиной и ковкий чугун с перламутровой сердцевиной. Структура ковкого чугуна с черной сердцевиной представляет собой преимущественно ферритную (F) основу с флоккулированным графитом, в то время как структура перлитного ковкого чугуна представляет собой преимущественно перлитную (P) матрицу с флоккулированным графитом.
Третий тип - ковкий чугун с белой сердцевиной, структура которого зависит от размера сечения. В небольших сечениях матрица представляет собой феррит, в то время как в больших сечениях площадь поверхности составляет феррит, а в центре - перлит и отожженный углерод.
Чугун с инокуляцией получается, когда графит становится мелким и равномерно распределенным после инокуляционной обработки.
Ковкий чугун
Перед заливкой расплавленного железа (чугуна с шаровидным графитом) в чугун добавляется сфероидизирующий агент, обычно состоящий из ферросилиция или магния, для сфероидизации графита в чугуне. Добавление сфероидизирующего агента значительно повышает прочность на разрыв, предел текучестипластичность и ударная вязкость нодулярного чугуна. Это объясняется тем, что углерод (графит) в матрице чугуна имеет сферическую форму, что улучшает его расщепляющее действие на матрицу.
Узловой чугун обладает рядом преимуществ, включая износостойкость, амортизацию, хорошие технологические характеристики и низкую стоимость. Эти преимущества привели к его широкому использованию для замены ковкого чугуна, а также некоторых литых и кованых стальных деталей, таких как коленчатые валы, шатуны, валки и задние мосты автомобилей.
Как легирующие элементы улучшают характеристики чугуна?
К распространенным легирующим элементам в легированном чугуне относятся кремний, марганец, фосфор, никель, хром, молибден, медь, алюминий, бор, ванадий, титан, сурьма и олово. Эти элементы повышают эксплуатационные характеристики чугуна за счет различных механизмов:
Кремний (Si): Как полезный элемент, он способствует графитизации, повышая механические свойства и износостойкость отливок.
Марганец (Mn): Он улучшает структуру зерна, тем самым повышая механические свойства.
Фосфор (P) и сера (S): Хотя обычно они считаются примесями, при определенных обстоятельствах они могут улучшать обрабатываемость.
Другие легирующие элементы: никель (Ni), хром (Cr), молибден (Mo), медь (Cu), алюминий (Al), ванадий (V), титан (Ti), сурьма (Sb) и олово (Sn): Добавление этих элементов значительно повышает прочность, твердость, износостойкость, устойчивость к окислению и коррозии чугуна.
Кроме того, включение легирующих элементов может изменять внутреннюю структуру чугуна, приводя к новым фазовым переходам, что улучшает его технологические характеристики, такие как термопластичность, холодная деформируемость, обрабатываемость, прокаливаемость и свариваемость. Например, кремний и углерод вместе способствуют графитизации, повышая компактность и вязкость отливок, уменьшая склонность к образованию белых устьев, стабилизируя аустенит и рафинируя графит и перлит.
Улучшая механические свойства, износостойкость, устойчивость к окислению и коррозии чугуна, легирующие элементы повышают общие эксплуатационные характеристики легированного чугуна.
Каковы подробные области применения и эксплуатационные характеристики белого чугуна в литейном производстве?
Белый чугун, названный так за свою серебристо-белую поверхность излома, представляет собой тип чугуна, в котором в процессе кристаллизации не выпадает графит. Этот тип чугуна имеет большое количество свободного цементита в своей структуре, что приводит к высокой твердости (обычно выше HB500), но он также очень хрупок. Благодаря высокой твердости и износостойкости, а также низкой стоимости, белый чугун является оптимальным выбором для износостойких применений, хотя и считается слишком хрупким для многих конструкционных элементов.
Основные области применения белого чугуна включают износостойкие детали, такие как сельскохозяйственные инструменты, мелющие шары, детали угольных мельниц, лопасти дробеметных установок, детали шламовых насосов, литые песчаные трубы и внешний слой валков холодной прокатки. Кроме того, он используется в качестве сырья для выплавки стали и заготовки для производства ковкого чугуна. В частности, марганцево-вольфрамовый белый чугун и вольфрамово-хромовый белый чугун используются для деталей, требующих механической обработки, в условиях больших ударных нагрузок, абразивного износа при низких нагрузках и абразивного износа при шлифовании при высоких нагрузках, соответственно.
По своим эксплуатационным характеристикам белый чугун твердый и хрупкий, плохо поддается механической обработке и редко используется непосредственно для отливки деталей. Углерод в нем содержится исключительно в виде цементита (Fe3C), благодаря чему он обладает более высокими механическими свойствами, чем серый и ковкий чугун, а процесс его производства относительно прост. Однако из-за своей хрупкости белый чугун не выдерживает холодной или горячей обработки и может использоваться только непосредственно в литом состоянии.
Белый чугун, обладающий высокой твердостью и износостойкостью, играет важную роль в конкретных сценариях применения, хотя его хрупкость ограничивает его применение в более широком диапазоне.
Каковы специфические различия в механических свойствах между серым и ковким чугуном?
Специфические различия в механических свойствах между серым и ковким чугуном проявляются в основном в следующих аспектах:
Морфология графита: Графит в сером чугуне имеет чешуйчатую форму, а графит в ковком чугуне - червеобразную. Это различие в морфологии графита приводит к различиям в механических свойствах. Чешуйчатый графит придает серому чугуну определенную степень хрупкости, в то время как червеобразный графит способствует повышению вязкости материала.
Механические свойства: Из-за разницы в морфологии графита механические свойства ковкого чугуна обычно выше, чем у серого чугуна. Механические свойства ковкого чугуна находятся между ковким и серым чугуном, то есть он прочнее серого чугуна, но не так прочен, как ковкий чугун.
Литейные характеристики: Литейные характеристики ковкого чугуна находятся между серым чугуном и ковким чугуном. Это говорит о том, что ковкий чугун обладает хорошей адаптивностью и гибкостью в процессе литья, способной удовлетворить требования различных сценариев применения.
Чувствительность к химическому составу: По сравнению с серым чугуном, ковкий чугун оказывает меньшее влияние на механические свойства при изменении содержания углерода и кремния от гипоэвтектического до эвтектического. Это означает, что ковкий чугун обладает большей гибкостью в изменении своего химического состава для оптимизации характеристик.
Возможность термической обработки: Легированный чугун может подвергаться различным видам термообработки, включая изотермическую закалку, что дает возможность дополнительно улучшить его механические свойства за счет термообработки.
Как количественно определяется влияние процесса отжига на механические свойства ковкого чугуна?
Влияние процесса отжига на механические свойства ковкого чугуна можно оценить следующим образом:
Повышение прочности и пластичности: Благодаря обработке графитирующим отжигом ковкий чугун может достичь более высокой прочности, пластичности и ударной вязкости, что позволяет ему в определенной степени заменить углеродистую сталь. По сравнению с серым чугуном, ковкий чугун обладает лучшей прочностью и пластичностью, особенно ударными характеристиками при низких температурах.
Повышение износостойкости и виброгашения: Износостойкость и виброгашение ковкого чугуна превосходят обычную углеродистую сталь, что обусловлено его особой микроструктурой и химическим составом. Оптимизация процесса отжига позволяет еще больше повысить эти свойства.
Сокращение производственных циклов и снижение энергопотребления: Усовершенствования в процессе отжига, такие как регулировка содержания углерода и кремния и добавление таких элементов, как висмут, бор и алюминий, для модификационной обработки, могут не только сократить цикл отжига, но и повысить квалификационные показатели продукции без ущерба для механических характеристик. Кроме того, исследования процессов быстрого отжига показали, что оптимизация условий отжига может эффективно снизить энергопотребление и загрязнение окружающей среды.
Увеличение степени графитизации: В процессе отжига эвтектический цементит в белом чугуне подвергается графитизации - процессу, имеющему решающее значение для повышения вязкости и пластичности ковкого чугуна. Оптимизация процесса отжига с графитизацией помогает улучшить механические свойства отливки.
Повышение вязкости разрушения: Процесс предварительной термической обработки и его микроструктура оказывают значительное влияние на вязкость разрушения ковкого чугуна. Оптимизация времени отжига и других соответствующих параметров процесса позволяет эффективно повысить вязкость разрушения ковкого чугуна, что имеет решающее значение для увеличения его срока службы и надежности.
Что такое процесс сфероидизации ковкого чугуна и какова его роль в улучшении механических свойств?
Процесс сфероидизирующей обработки ковкого чугуна включает в себя, главным образом, сфероидизацию и инокуляцию, в результате чего получается шаровидный графит. Этот метод обработки эффективно снижает эффект разрушения графита на матрице, значительно улучшая механические свойства чугуна, включая пластичность, вязкость и прочность. В частности, сфероидизирующая обработка позволяет графиту существовать в чугуне в сферической форме. Такая структура, по сравнению с традиционным чешуйчатым или флокулированным графитом, в большей степени способствует снижению концентрации напряжений в материале, повышая общие эксплуатационные характеристики.
Особая роль сфероидизирующей обработки заключается в улучшении микроструктуры чугуна, что приводит к более равномерному распределению графита и снижает риск возникновения трещин и изломов, вызванных концентрацией напряжений в процессе эксплуатации. Кроме того, наличие шаровидного графита повышает износостойкость и виброгашение чугуна, что особенно важно для изделий, которые должны выдерживать высокие нагрузки и сложные условия напряжений. Например, в таких деталях, как коленчатые валы энергетических машин, широко используется ковкий чугун благодаря его превосходным комплексным свойствам.
Процесс сфероидизации ковкого чугуна, изменяя форму графита, не только повышает пластичность, вязкость и прочность чугуна, но и помогает улучшить его износостойкость и демпфирование вибраций, тем самым в определенной степени улучшая механические характеристики. Благодаря этим улучшениям ковкий чугун становится материалом с высокой прочностью, хорошей вязкостью и пластичностью. По своим комплексным характеристикам он близок к стали, что делает его пригодным для различных инженерных применений, требующих сложных напряжений, высокой прочности и вязкости.
