Полезные и вредные примеси в чугуне
Обычный промышленный чугун — не двойной железоуглеродистый сплав — он содержит те примеси, что и углеродистая сталь, т. е. марганец, кремний, серу и фосфор, но в большем количестве, чем сталь. Эти примеси существенно влияют на условия графитизации и, следовательно, на структуру и свойства чугуна.
Кремний особенно сильно влияет на структуру чугуна, усиливая графитизацию. Содержание кремния в чугунах колеблется в широких пределах: от 0,3-0,5 до 3-5 %. Изменяя содержание кремния, можно получить чугуны, совершенно различные по свойствам и структуре — от малокремнистого белого до высококремнистого ферритного (серого с пластинчатым или высокопрочного с шаровидным графитом).
Марганец в отличие от кремния препятствует графитизации или, как говорят, способствует отбеливанию чугуна.
Сера также способствует отбеливанию чугуна, но одновременно ухушает литейные свойства (в частности, снижает жидкотекучесть), поэтому содержание серы в чугуне лимитируется: верхний предел для мелкого литья для более крупного, когда можно допустить несколько худшую жидкотекучесть, до
Фосфор практически не влияет на процесс графитизации. Однако фосфор — полезная примесь в чугуне, так как он улучшает жидкотекучесть. Это объясняется образованием относительно легкоплавкой тройной эвтектики, плавящейся при . В момент затвердевания эвтектика состоит из аустенита, обогащенного фосфором, цементитом и фосфидом железа — «Стэдит».
Твердые участки фосфидной эвтектики повышают общую твердость и износоустойчивость чугуна.
Кроме этих постоянных примесей, в чугун часто вводят и другие элементы. Такие чугуны называются легированными. Если примеси содержались в рудах, из которых в доменной печи выплавляется чугун, то такие чугуны называются природно-легированными. Наиболее часто чугун легируют хромом, никелем, медью, алюминием, титаном. Хром препятствует, а медь и никель способствуют графитизации чугуна.
В настоящее время еще нет удовлетворительно разработанной теории, объясняющей влияние легирующих элементов на графитизацию.
Рис. 168. Структурная диаграмма для чугуна, показывающая, какая должна получиться структура в отливке в зависимости от: а — содержания кремния и углерода (толщина стенки 50 мм): б — суммы содержаний углерода и кремния и от толщины стенки; I — белые чугуны; II — перлитные чугуны; III — серые ферритные чугуны
Во всяком случае растворение в цементите таких элементов, как хром, марганец, вольфрам, молибден, ванадий, препятствуют графитизации. Большинство остальных элементов, встречающихся в чугунах, нерастворимо в цементите и способствует графитизации. Этот вопрос рассматривается во многих теоретических и экспериментальных работах (М. Г. Окнова, К. П. Бунина, И. Н. Богачева и др.).
Для приближенного определения структуры чугуна в зависимости от содержания примесей пользуются так называемыми структурными диаграммами, одна из которых приведена на рис. 168, а. Из диаграммы видно, какой будет структура у отливок с толщиной стенок 50 мм в зависимости от содержания в чугуне углерода и кремния (содержание марганца постоянно и равно
Практикой было отмечено, что в одной отливке чугун может иметь разную структуру. В тонких частях отливки, у ее поверхности степень графитизации меньше, чем в более массивных частях и в сердцевине. Другими словами, там, где скорость охлаждения была больше, образуется больше цементита, а там, где чугун охлаждается медленнее — больше графита. Факторы, определяющие степень графитизации в чугуне, — это содержание углерода и кремния, а также скорость охлаждения.
Чтобы определить, как зависит структура чугуна от состава (содержание углерода и кремния) и скорости охлаждения (толщина стенки отливки), можно воспользоваться другой структурной диаграммой (рис. 168, б).
Источник
Промышленное значение имеет чугун с содержанием углерода от 2 до 4,3 % •
Углерод, являющийся важной составляющей, может находиться в чугуне в двух состояниях: в связанном с железом в виде цементита, в свободном в виде пластинчатого графита.
В чугуне содержатся также постоянные примеси кремния, марганца, серы и фосфора.
Кремний увеличивает жидкотекучесть, способствует разложению цементита (с выделением углерода в виде графита) и получению серого чугуна. В белом чугуне кремния содержится не более 2 %, а в сером от 1 до 4 %.
Марганец препятствует графитизации, образуя с углеродом карбиды Мп3С, способствует получению белого чугуна. Поэтому в белых чугунах марганца содержится от 1 до 3 %, а в серых не более 1,3 %
Сера является вредной примесью. Она понижает прочность, увеличивает хрупкость, ухудшает литейные свойства чугуна, так как придает ему пузырчатость и густотекучесть. Повышенное содержание серы вызывает красноломкость. Сера переходит в чугун в основном из топлива и в небольших количествах из руды. В чугуне серы должно быть не более 0,08%.
Фосфор понижает прочность и увеличивает хрупкость чугуна. Повышенное содержание фосфора вызывает хладноломкость металла. Содержание фосфора в чугунах, предназначенных для изготовления ответственных отливок, должно быть не более 0,2%. Одновременно фосфор улучшает литейные свойства чугуна, так как уменьшает усадку и увеличивает жидкотекучесть металла, а следовательно, способствует лучшему заполнению формы. Это позволяет получить из чугуна с повышенным содержанием фосфора тонкие отливки с чистой и гладкой поверхностью, что очень важно для художественного литья.
Белый и серый чугуны
Выплавленный в доменных печах чугун в зависимости от вида содержащегося углерода делится на белый , (передельный) и серый (литейный). Белым {передельным) называется чугун, в котором углерод находится в виде цементита, он имеет в изломе белый цвет (поэтому его называют белым), обладает высокой твердостью и хрупкостью, не поддается механической обработке. Серым, (литейным) называется чугун, в котором углерод находится в виде пластинчатого графита, он имеет в изломе серый цвет (поэтому его называют серым), обладает меньшей твердостью и хрупкостью, чем белый чугун, поддается механической обработке.
Белый чугун составляет около 80 % всех выплавляемых чугунов и идет в основном для переделки в сталь. По назначению он делится на три класса: мартеновский, предназначается для переделки в сталь в мартеновских печах, бессемеровский— для переделки в сталь в бессемеровских конвертерах, томасовский переплавляют в сталь в томасовских конвертерах.
Серый чугун хорошо сопротивляется сжимающим нагрузкам, нечувствителен к поверхностным дефектам и удовлетворительно сопротивляется усталостному разрушению, но из-за низкой пластичности и ударной вязкости его использование в качестве конструкционного материала ограничено.
В соответствии с ГОСТ 1412—79 различают следующие марки серого чугуна: СЧ00, СЧ12-28, СЧ15-32, СЧ18-36, СЧ21-40, СЧ24-44, СЧ28-48, СЧ32-52, СЧ36-56, СЧ40-60, СЧ44-64.
Буквы в марке обозначают серый чугун, две первые цифры—-предел прочности на растяжение (кгс/мм2), две последние цифры — предел прочности при изгибе (кгс/мм2). В марке СЧ00 показатели прочности и твердости не определяются.
Механические свойства серого чугуна приведены в табл.12.
Все серые чугуны по содержанию фосфора делятся на гематитовые, обыкновенные и фосфористые.
Гематитовые чугуны выплавляются из чистых гематитовых руд, содержащих незначительное количество вредных примесей. Они содержат не более 0,1 % фосфора и применяются для ответственного литья.
Обыкновенные чугуны содержат до 0,3% фосфора и используются для менее ответственного литья, чем гематитовые.
Фосфористые чугуны содержат до 1,2% фосфора и применяются для литья, требующего тонкой, чистой и гладкой поверхности.
В судостроении из серого чугуна изготовляют гребные винты, дейдвудные трубы, детали арматуры, кнехты, киповые планки, роульсы и т. п.
Разновидностью серого чугуна является ковкий чугун. Это условное название более мягкого и вязкого чугуна, чем серый, получаемого из белого чугуна в результате длительного отжига. Ковкий чугун, как и другие чугуны, не куется. Существуют следующие марки ковкого чугуна по ГОСТ 1215—79: КЧЗО-6, КЧЗЗ-8, КЧ35-10, КЧ37-12, КЧ45-6, КЧ50-4, КЧ56-4, КЧ60-3 и КЧ63-2.
Буквы в марке означают сокращенное название ковкий чугун, две первые цифры — предел прочности на растяжение (кгс/мм2), одна или две последние цифры — относительное удлинение (%).
Ковкий чугун обладает хорошими механическими свойствами и высокой стойкостью к коррозии. В судостроении из него изготовляют малонапряженные детали судового оборудования, дельные вещи и арматуру (детали клапанов и задвижек, иллюминаторы, дверные ручки и т. п.).
Модифицированный чугун получают путем введения в жидкий серый чугун перед разливкой специальных элементов, называемых модификаторами, например алюминия, кремния, кальция и др. Они увеличивают количество центров кристаллизации и, следовательно, измельчают графит. . Поэтому модифицированный чугун имеет повышенную прочность, лучшую стойкость против образования трещин и меньшую . хрупкость, чем обычные серые. Все высшие марки серого чугуна, начиная с СЧ28-48, получают методом модифицирования.
Высокопрочным называется серый чугун, содержащий шаровидный графит. Его получают введением в серый чугун магния, церия и висмута. Добавка их в расплавленный серый чугун, содержащий пластинчатый графит, превращает его в шаровидный. Высокопрочный чугун имеет более высокие механические свойства, чем обычный серый, модифицированный и ковкий чугуны, а также среднеуглеродистая сталь (табл. 13). В настоящее время выплавляют следующие марки высокопрочного чугуна по ГОСТ 7293—79: ВЧ38-17, ВЧ42-12, ВЧ45-5, ВЧ50-2, ВЧ60-2, ВЧ70-3, ВЧ80-3, ВЧ100-4 и ВЧ120-4.
Буквы обозначают высокопрочный чугун, первые две цифры— предел прочности на растяжение (кгс/мм2), последние одна или две цифры — относительное удлинение (%).
В судостроении высокопрочные чугуны широко применяют вместо ковкого чугуна и среднеуглеродистой стали. Из них изготовляют различные судовые устройства, механизмы, дельные вещи и т. д. Наиболее распространен магниевый чугун, обладающий высокими механическими свойствами, что позволяет использовать его вместо ковкого чугуна при изготовлении ответственных деталей машин: коленчатых валов, картеров, шатунов и т. п., а также грузовых, зачистных, обогревающих и охлаждающих трубопроводов, дейдвудных труб, винтов регулируемого шага (ВРШ) и т. п.
Легированные чугуны
Легированными называются чугуны, в которые введены легирующие (облагораживающие) примеси, например хром, ванадий, молибден, никель, титан и др.
Легирующие элементы повышают прочность, твердость, износостойкость, коррозионную стойкость и другие механические, технологические и химические свойства чугунов.
Все легированные чугуны в зависимости от суммарного содержания легирующих элементов делятся на низколегированные (до 2,5% легирующих элементов), среднелегированные (от 2,5 до 10%) и высоколегированные (свыше 10%).
Разновидности легированных чугунов имеют разные марки. Входящие в марку легирующие элементы обозначают буквами: Н—никель, X — хром, М — молибден, Т — титан, К — кобальт, В — вольфрам, Б — ниобий, Г — марганец, С — кремний, Ф — ванадий, Ю — алюминий, Д — медь. Цифры, стоящие после букв, указывают среднее содержание легирующих элементов в процентах. Если цифры нет, то данного легирующего элемента содержится около 1 %. Например, марка ЧН15Д7Х означает, что это высоколегированный чугун, в котором содержится никеля—15%, меди — 7% и хрома — около 1 %.
Изготовление легированных чугунов, обладающих целым рядом ценных свойств, относительно недорого, и поэтому область их применения непрерывно расширяется.
В зависимости от свойств легированные чугуны делятся на износостойкие, коррозионно-стойкие (нержавеющие), жаростойкие и др.
Износостойкими называются чугуны, обладающие высоким сопротивлением износу (истиранию), которое возникает при трении поверхностей, находящихся под нагрузкой. К износостойким чугунам относятся антифрикционные и фрикционные чугуны.
Антифрикционными называются износостойкие чугуны, обладающие низким коэффициентом трения. Из них изготовляют детали, работающие в условиях трения скольжения: подшипники скольжения и их вкладыши, грундбуксы, сальники и другие подобные детали.
Антифрикционные чугуны имеют марки по ГОСТ 1585—79: АЧС-1, АЧС-2, АЧС-3, АЧС-4, АЧС-5, АЧС-6, АЧК-1, АЧК-2, АЧВ-1, АЧВ-2 и др.
Буквы АЧ означают антифрикционный чугун, а буквы С, К и В — базовый чугун (серый, ковкий и высокопрочный), на основе которого он получен. Цифра — условный номер.
Кроме перечисленных марок применяют специальный антифрикционный пористый чугун марки АПЧ, получаемый введением в расплавленный чугун при его выплавке свинца, фосфора и углекислого калия (поташа). В результате затвердевший чугун становится пористым, что улучшает его антифрикционные свойства.
В качестве антифрикционных чугунов применяют также медистый чугун марок ЧМ-1,3, ЧМ-1,8 и др., в которых цифра указывает на содержание меди в процентах. Эти чугуны имеют хорошие антифрикционные свойства и выдерживают большие нагрузки.
Фрикционными называются износостойкие чугуны, имеющие высокий коэффициент трения. Из них делают тормозные устройства различных механизмов:
Все большее распространение в судостроении получают коррозионнно-стойкие чугуны (ГОСТ 11849—76), так как даже обычные чугуны обладают более высокой коррозионной стойкостью в атмосфере и морской воде, чем углеродистые стали. Вводя в чугун более 12 % хрома и снижая содержание углерода, получают нержавеющий чугун. Высокой коррозионной стойкостью в агрессивных средах, стойкостью к кавитации и износу в пароводяных средах обладают коррози-онно-стойкие чугуны марок ЧНХТ,ЧН1ХМД, ЧН15Д7Х2 и др.
Жаростойкими называются чугуны, стойкие против окисления и сохраняющие механические свойства при высоких температурах нагрева (свыше 750 К).
Многие высоколегированные жаростойкие чугуны являются одновременно и коррозионно-стойкими. Детали, работающие при высокой температуре нагрева без больших нагрузок, выгоднее изготовлять из жаростойких чугунов, чем из жаростойких сталей, так как стоимость их получения меньше.
В марках жаростойких чугунов (ГОСТ 7769—75) буквы ЖЧ обозначают жаростойкий чугун, последующие буквы обозначают легирующие элементы, а цифры.—среднее содержание легирующих элементов в процентах. Например, ЖЧНДХ-15-7-2 — это жаростойкий чугун, содержит никеля 15%, меди 7% и хрома 2 %, а остальное железо, углерод и другие примеси.
Существуют жаростойкие алюминиевые чугуны — чугаль и пирофераль. Они содержат большое количество алюминия и модифицированы магнием для получения шаровидного графита, коррозионно-стойки.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Что называется чугуном?
2. Какое влияние на свойства чугуна оказывают углерод, кремний, марганец, сера и фосфор?
3. Почему чугун для художественного литья должен иметь повышенное содержание фосфора?
4. Как делятся белые (передельные) чугуны и где их применяют?
5. Как делятся серые чугуны и где их применяют?
6. Почему одна из разновидностей серого чугуна получила название «ковкий чугун»?
7. Какими особыми свойствами обладают легированные чугуны?
Задание
Расшифруйте марки: СЧ32-52, КЧ50-4, ВЧ45-5, АЧС-2, АЧВ-1, АЧК-1, ЧМ-1,3, АПЧ, ЧН15Д7Х2, ЖЧС-5,5. Укажите области применения этих чу-гунов.
ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ
Источник
1. Марганец и сера.
2. Марганец и фосфор.
3. Сера и фосфор.
4. Марганец и кремний.
31. Доменный процесс является:
1. Дискретным технологическим процессом.
2. Непрерывным процессом.
3. Комбинированным технологическим процессом.
4. Правильных ответов нет
32. Что такое ковкий чугун:
1. Чугун, который можно подвергать ковке.
2. Чугун, который в своей структуре содержит ледебурит.
3. Чугун, в котором углерод содержится в виде графита
хлопьевидной формы.
4. Чугун, содержащий графит в форме игл.
5. Чугун, содержащий графит в форме пластин.
33. Углерод находится в виде цементита в чугуне:
1. Сером.
2. Белом.
3. Черном.
4. Ковком.
34. Отжигом белого чугуна получают чугун:
1. Серый.
2. Черный.
3. Ковкий.
4. Передельный.
35. Сырьем для получения высокопрочных чугунов служит:
1. Серый чугун.
2. Передельный чугун.
3. Черный чугун.
4. Оба ответа верны.
36. Цифра в марке чугуна показывает:
1. Содержание в нем углерода.
2. Механические свойства чугуна.
3. Содержание вредных примесей.
4. Содержание легирующих элементов.
37. Что такое сталь:
1. Сплав железа с углеродом, содержащий до 4% углерода.
2. Химическое соединение железа с углеродом.
3. Сплав железа с углеродом, содержащий до 3% углерода.
4. Сплав железа с углеродом и другими примесями (Мп, Si), содержащий до 2% углерода.
5. Сплав железа с марганцем и кремнием.
38. Назовите полезные неизбежные примеси в стали:
1. Марганец и кремний.
2. Марганец и фосфор.
3. Сера и фосфор.
4. Марганец, кремний, сера, фосфор.
5. Кислород, азот, марганец, сера, кремний, фосфор.
39. Наиболее производительный способ выплавки стали:
1. Мартеновский.
2. Конверторный.
3. Электродуговой.
4. Правильных ответов нет
40. Качество стали определяется:
1. Содержанием в ней легирующих элементов.
2. Содержанием в ней углерода.
3. Содержанием в ней вредных примесей.
4. Все ответы верны.
41. Пути повышения качества стали:
1. Вакуумирование.
2. Электрошлаковый переплав.
3. Обработка синтетическим флюсом.
4. Все ответы верны.
42. Полностью раскисленная сталь:
1. Спокойная.
2. Кипящая.
3. Все ответы верны.
4. Правильных ответов нет
43. Наиболее экономичным методом выплавки стали является:
1. Мартеновский.
2. Кислородно-конверторный.
3. В электропечах.
4. Правильных ответов нет
44. Отпуск сталей применяется:
1. Для повышения твердости стали.
2. Для повышения пластичности стали и снятия внутренних напряжений.
3. Для повышения вязкости стали и снятия внутренних напряжений.
4. Все ответы верны.
45. Пластичность металлов при отжиге:
1. Увеличивается.
2. Уменьшается.
3. Не изменяется.
4. Сначала увеличивается, затем остается неизменной.
46. Закалка стальных отливок увеличивает:
1. Вязкость.
2. Плотность.
3. Твердость.
4. Прочность.
47. Химико-термическая обработка стали повышает:
1. Твердость стальных изделий по всему объему.
2. Износостойкость стальных изделий по всему объему.
3. Твердость и износостойкость поверхностного слоя стальных изделий.
4. Пластичность.
48. Медные руды:
1. Богаты медью.
2. Бедны медью
3. Содержат мало меди, но являются комплексными.
4. Наполовину содержат медь.
49. Методы обогащения медных руд:
1. Магнитная сепарация.
2. Флотация.
3. Агломерация.
4. Окатывание.
50. Медь получают:
1. Пирометаллургическим способом.
2. Электролизом.
3. Оба ответа верны.
4. Правильных ответов нет
51. Сплавы на основе меди:
1. Бронзы.
2. Чугуны.
3. Стали
4. Все ответы верны.
52. Чистая медь относится к:
1. Тугоплавким металлам.
2. Легкоплавким металлам.
3. Среднеплавким.
4. Неплавким.
53. Чистый алюминий:
1. Легкий металл.
2. Тяжелый металл.
3. Особолегкий металл.
4. Особотяжелый металл.
54. Алюминий получают:
1. Пирометаллургическим способом.
2. Путем восстановления из окислов руды.
3. Электролизом.
4. Все ответы верны.
55. Силумины — это сплавы на основе:
1. Алюминия с медью.
2. Алюминия с кремнием.
3. Меди с кремнием.
4. Меди с висмутом.
56. Дуралюмины — это:
1. Литейные алюминиевые сплавы.
2. Литейные медные сплавы.
3. Деформируемые алюминиевые сплавы.
4. Правильных ответов нет
57. Латуни — это сплавы на основе:
1. Меди с цинком.
2. Меди с оловом.
3. Меди с кремнием.
4. Меди с серебром.
58. Дуралюмины обладают:
1. Хорошей пластичностью.
2. Хорошими литейными свойствами.
3. Все ответы верны.
4. Правильных ответов нет.
59. Цифра в марке углеродистой конструкционной стали показывает:
1. Содержание углерода в десятых долях процента.
2. Содержание углерода в сотых долях процента.
3. Содержание кремния в процентах.
4. Содержание железа в процентах.
60. Цифра в марке инструментальной углеродистой стали показывает содержание, углерода:
1. В сотых долях процента.
2. В тысячных долях процента.
3. В десятых долях процента.
4. Содержание кремния в процентах
61. Автогенный процесс способствует:
1. Повышению производительности труда.
2. Сокращению эксплуатационных и капитальных затрат.
3. Оба ответа верны.
4. Правильных ответов нет.
62. Автогенный процесс — это процесс, протекающий:
1. С использованием естественного топлива.
2. С использованием искусственного топлива.
3. Без подвода тепла.
4. Правильных ответов нет
63. В основе обработки металлов давлением лежат процессы:
1. Упругого деформирования металлов.
2. Пластической деформации.
3. Литья
4. Все ответы верны.
64. Сортовой прокат получают прокаткой:
1. В гладких валках.
2. В ручьевых валках.
3. Оба ответа верны.
65. Листовой прокат получают прокаткой:
1. В гладких валках.
2. В ручьевых валках.
3. Оба ответа верны.
66. Прокаткой получают:
1. Шовные трубы.
2. Бесшовные трубы.
3. Оба ответа верны.
67. Исходной заготовкой для прокатки сварных труб служат:
1. Слитки.
2. Листы.
3. Оба ответа верны.
68. Волочением получают:
1. Проволоку.
2. Трубы.
3. Оба ответа верны.
69. После холодной деформации металл:
1. Наклепан.
2. Кристаллизован.
3. Оба ответа верны.
70. Операции свободной ковки:
1. Осадка.
2. Штамповка.
3. Оба ответа верны.
71. Волочение относится к:
1. Холодному методу обработки давлением.
2. Горячему методу обработки давлением.
3. Оба ответа верны.
72. Исходной заготовкой для штамповки служат:
1. Сортовой прокат.
2. Листовой прокат.
3. Слиток.
73. Операция листовой штамповки:
1. Прошивка.
2. Вырубка.
3. Оба ответа верны.
74. В открытых штампах производят штамповку:
1. С облоем.
2. Без облоя.
3. Оба ответа верны.
75. Более высокую точность размеров заготовок можно получить:
1. При ковке.
2. При объемной штамповке.
3. Оба ответа верны.
76. Наиболее производительный метод обработки металлов давлением:
1. Ковка.
2. Объемная штамповка.
3. Листовая штамповка.
77. Модели служат для изготовления:
1. Форм.
2. Стержней.
3. Оба ответа верны.
78. Для изготовления стержней необходимы:
1. Модели.
2. Ящики.
3. Опоки.
79. К специальным методам литья относятся:
1. Литье в землю.
2. Оболочковое литье.
3. Оба ответа верны.
80. Тонкостенное цветное литье сложной конфигурации:
1. Кокильное.
2. Под давлением.
3. Центробежное.
81. Наиболее производительный способ литья:
1. По выплавляемым моделям.
2. Под давлением.
3. В кокиль.
82. Состав для изготовления выплавляемых моделей:
1. Парафин + стеарин.
2. Бакелит.
3. Смола.
83. Литейные свойства сплавов:
1. Усадка.
2. Твердость.
3. Оба ответа верны.
Источник