Види чавуну, класифікація, склад, властивості, маркування та застосування

Сьогодні майже немає жодної сфери життя людини, де б не застосовувався чавун. Цей матеріал відомий людству вже досить давно і чудово зарекомендував себе з практичної точки зору. Чавунне лиття - основа безлічі деталей, вузлів і механізмів, а в деяких випадках навіть самодостатнє виріб, здатне виконувати покладені на нього функції. Тому в даній статті ми приділимо найпильнішу увагу даному залізовмісному з`єднанню. Також з`ясуємо, які бувають види чавуну, їх фізичні та хімічні властивості.

визначення

Чавун - це воістину унікальний сплав заліза і вуглецю, в якому Fe більше 90%, а C - не більше 6,67%, але і не менш 2,14%. Також вуглець може перебувати в чавуні у вигляді цементиту або ж графіту.

Вуглець дає сплаву досить високу твердість, однак, разом з тим, знижує в`язкість і пластичність. У зв`язку з цим чавун є крихким матеріалом. Також в певні марки чавуну додають спеціальні присадки, які здатні надати з`єднанню певні властивості. У ролі легуючих елементів можуть виступати: нікель, хром, ванадій, алюміній. Показник щільності чавуну дорівнює 7200 кілограм на метр кубічний. З чого можна зробити висновок, що вага чавуну - показник, який ніяк не можна назвати маленьким.

Історична довідка

Виплавка чавуну вже досить давно відома людині. Перші згадки про сплаві датуються шостим століттям до нашої ери.

У Китаї в стародавні часи отримували чавун з досить низькою температурою плавлення. В Європі чавун стали отримувати приблизно в 14 столітті, коли вперше почали використовувати доменні печі. На той момент таке чавунне лиття йшло на виробництво зброї, снарядів, деталей для будівництва.

На території Росії виробництво чавуну активно почалося в 16 столітті і далі швидко розширювалося. За часів Петра I Російська імперія за обсягом виробництва чавуну змогла обійти всі держави світу, проте вже через сто років почала знову здавати свої позиції на ринку чорної металургії.

Чавунне лиття використовувалося для створення різноманітних художніх творів ще в епоху Середньовіччя. Зокрема, в 10 столітті китайські майстри відлили справді унікальну фігуру лева, вага якого перевищив 100 тонн. Починаючи з 15 століття на території Німеччини, а після і в інших країнах лиття з чавуну отримало широке розповсюдження. З нього робили огорожі, решітки, паркові скульптури, садові меблі, надгробки.

В останні роки 18 століття чавунне лиття максимально задіяно в архітектурі Росії. А 19 століття так і взагалі прозвали «чавунним століттям», так як сплав дуже активно використовувався в архітектурі.

Особливості

Існують різні види чавуну, однак середня температура плавлення цього металевого з`єднання становить близько 1200 градусів Цельсія. Цей показник на 250-300 градусів менше, ніж потрібно для виплавлення сталі. Така різниця пов`язана з досить високим вмістом вуглецю, що призводить до його менш тісним зв`язкам з атомами заліза на молекулярному рівні.

У момент виплавки і подальшої кристалізації вуглець, що міститься в чавуні, не встигає повністю проникнути в молекулярну решітку заліза, і тому чавун в підсумку виходить досить крихким. У зв`язку з цим він не застосовується там, де мають місце постійні динамічні навантаження. Але при цьому він відмінно підходить для тих деталей, які мають підвищені вимоги до міцності.

Технологія виробництва

Абсолютно всі види чавуну виробляються в доменній печі. Власне, сам процес плавки - досить трудомістка діяльність, що вимагає серйозних матеріальних вкладень. Одна тонна чавуну вимагає приблизно 550 кілограм коксу і майже тонну води. Обсяг завантажується в піч руди буде залежати від вмісту заліза. Найчастіше застосовують руду, в якій заліза не менше 70%. Менша концентрація елемента небажана, оскільки її буде невигідно економічно використовувати.

Перший етап виробництва

Виплавка чавуну відбувається наступним чином. В першу чергу в піч засипають руду, а також коксівне марки вугілля, які служать для нагнітання і підтримки необхідної температури всередині шахти печі. Крім цього, ці продукти в процесі горіння активно беруть участь в протікають хімічних реакціях в ролі відновників заліза.

Паралельно в піч відвантажується флюс, службовець в якості каталізатора. Він допомагає породам швидше розплавлятися, що сприяє якнайшвидшому вивільненню заліза.

Важливо зауважити, що руда перед завантаженням в піч піддається спеціальній попередній обробці. Її подрібнюють на дробильної установки (дрібні частинки швидше плавляться). Після вона промивається з метою видалення частинок, що не містять метал. Після чого сировину обпалюють, за рахунок цього з нього видаляється сірка та інші чужорідні елементи.

Другий етап виробництва

У завантажену і готову до експлуатації піч подають природний газ через спеціальні пальники. Кокс розігріває сировину. При цьому виділяється вуглець, який з`єднується з киснем і утворює оксид. Цей оксид згодом бере участь у відновленні заліза з руди. Відзначимо, що зі збільшенням кількості газу в печі швидкість протікання хімічної реакції знижується, а при досягненні певного співвідношення і зовсім зупиняється.

Надлишок вуглецю проникає в розплав і входить у з`єднання з залізом, формуючи в кінцевому рахунку чавун. Всі ті елементи, що не розплавилися, виявляються на поверхні і в підсумку видаляються. Ці відходи називають шлаком. Його також можна використовувати для виробництва інших матеріалів. Види чавуну, одержувані в такий спосіб, називаються ливарним і переробні.

диференціація

Сучасна класифікація чавунів передбачає поділ даних сплавів на наступні типи:

Відео: Виробництво чорних металів. Сталь, чавун ...

Білі.
Половинчасті.
Сірі з пластинчастим графітом.
Високоміцні з кулястим графітом.
Ковкі.

Давайте розглянемо кожен вид окремо.

білий чавун

Таким чавуном називається той, у якого практично весь вуглець хімічно пов`язаний. У машинобудуванні цей сплав застосовується не дуже часто, тому що він твердий, але дуже крихкий. Також він не піддається механічній обробці різними ріжучими інструментами, а тому використовується для відливання деталей, які не вимагають будь-якої обробки. Хоча цей вид чавуну допускає шліфування абразивним кругом. Білий чавун може бути як звичайним, так і легованих. При цьому зварювання його викликає труднощі, оскільки супроводжується утворенням різних тріщин під час охолодження або нагрівання, а також з причини неоднорідності структури, що формується в точці зварювання.

Білі зносостійкі чавуни отримують за рахунок первинної кристалізації рідкого металу при швидкоплинному охолодженні. Найчастіше вони використовуються для роботи в умовах сухого тертя (наприклад, гальмівні колодки) або для виробництва деталей, які мають підвищену зносостійкість і жаростійкістю (валки прокатних станів).

До речі, білий чавун отримав свою назву завдяки тому, що зовнішній вигляд його зламу - світло-кристалічна, промениста поверхню. Структура цього чавуну являє собою сукупність ледебуріта, перліту і вторинного цементиту. Якщо ж даний чавун піддають легування, то перліт трансформується в троостіт, аустеніт або мартенсит.

Відео: Навчальний фільм - Виробництво чавуну і сталі

половинчастий чавун

Класифікація чавунів буде неповною, якщо не згадати про цього різновиду металевого сплаву.

Для зазначеного чавуну характерне поєднання карбідної евтектики і графіту в його структурі. В цілому ж, повноцінна структура має наступний вигляд: графіт, перліт, ледебурит. Якщо ж чавун піддати термічній обробці або легування, то це призведе до утворення аустеніту, мартенситу або голчастого троостита.

Цей вид чавуну досить крихкий, тому його застосування досить обмежена. Сама ж назва сплав отримав тому, що його злам - поєднання темних і світлих ділянок кристалічної будови.

Найпоширеніший машинобудівний матеріал

Сірий чавун ГОСТ 1412-85 містить в своєму складі близько 3,5% вуглецю, від 1,9 до 2,5% кремнію, до 0,8% марганцю, до 0,3% фосфору і менше 0,12% сірки.

Графіт в такому чавуні має пластинчасту форму. При цьому не потрібно спеціального модифікування.

Пластинки графіту мають сильно послаблює дію і тому сірому чавуну характерні дуже низька ударна в`язкість і практично повна відсутність відносного подовження (показник становить менше 0,5%).

Сірий чавун добре піддається обробці. Структура сплаву може бути наступною:

Феррито-графітової.
Феррито-перлито-графітової.
Перліто-графітової.

Відео: Як робиться бензин. Корисно знати

На стиснення сірий чавун працює набагато краще, ніж на розтяг. Також він досить добре зварюється, але для цього потрібно попередній підігрів, а в якості присадочного матеріалу слід використовувати спеціальні чавунні стрижні з високим вмістом кремнію і вуглецю. Без попереднього розігріву зварювання буде утруднена, оскільки відбуватиметься відбілювання чавуну в зоні шва.

З сірого чавуну виробляють деталі, що працюють при відсутності ударного навантаження (шківи, кришки, станини).

Відео: ХІМІЯ 7 клас

Позначення цього чавуну відбувається за таким принципом: СЧ 25-52. Дві букви сигналізують про те, що це саме сірий чавун, число 25 - показник межі міцності на розрив (в Мпа або кгс / мм²), Число 52 - межа міцності в момент вигину.

високоміцний чавун

Чавун з кулястим графітом принципово відрізняється від інших своїх «побратимів» тим, що в ньому міститься графіт кулястої форми. Вона виходить за рахунок введення в рідкий сплав спеціальних модифікаторів (Mg, Се). Кількість графітних включень і їх лінійні розміри можуть бути різними.

Чим гарний кулястий графіт? Тим, що така форма мінімально послаблює металеву основу, яка, в свою чергу, може бути перлитной, ферритной або перлітною-феритної.

Завдяки застосуванню термічної обробки або легування основа чавуну може бути голчастим-троостітной, мартенситной, аустенитной.

Марки високоміцного чавуну бувають різні, але в загальному вигляді позначення його такий: ВЧ 40-5. Легко здогадатися, що ВЧ - це високо-випробувальний чавун, число 40 - показник межі міцності на розрив (кгс / мм²), Число 5 - щодо подовження, яке виражається у відсотках.

ковкий чавун

Структура ковкого чавуну полягає в наявності в ньому графіту в пластівчасту або кулястої форми. При цьому пластівчастий графіт може мати різну дисперсність і компактність, що, в свою чергу, безпосередньо впливає на механічні властивості чавуну.

У промисловості ковкий чавун проводиться найчастіше з феритної основою, яка забезпечує більшу пластичність.

Зовнішній вигляд зламу ферритного ковкого чавуну має чорно-оксамитовий вигляд. Чим вище кількість перліту в структурі, тим світліше буде ставати злам.

В цілому ж, ковкий чавун виходить з виливків білого чавуну завдяки тривалому томлінню в печах, нагрітих до температури 800-950 градусів Цельсія.

На сьогоднішній день є два способи виготовлення ковкого чавуну: європейський і американський.

Американський метод полягає в млості сплаву в піску при температурі 800-850 градусів. У цьому процесі графіт розташовується між зернами найчистішого заліза. В результаті чавун набуває в`язкість.

У європейському методі виливки нудяться в залізній руді. Температура при цьому становить близько 850-950 градусів Цельсія. Вуглець переходить в залізну руду, за рахунок чого поверхневий шар виливків обезуглероживающего і стає м`яким. Чавун стає ковким, а серцевина зберігає крихкість.

Маркування ковкого чавуну: КЧ 40-6, де КЧ - це, зрозуміло ковкий чавун 40 - показник міцності при растяженіі- 6 - відносне подовження,%.