Чем отличается белый и серый чугун
Elton-zoloto.ru

Драгоценные металлы

Чем отличается белый и серый чугун

Rimoyt.com

Темы: машиностроение, САПР, 3d моделирование, техническое образование, промышленные предприятия, технические вузы

Все приказы отдавайте устно.
Не оставляйте записей и документов, которые могут обернуться против вас

Из законов Мерфи

Чугун – сплав железа (Fe>90%) с углеродом (C от 2,14% до 6,67%).
Углерод может содержаться в чугуне в виде графита (С) или цементита (Fe3C).
Также чугун содержит примеси кремния, марганца, фосфора и серы.
Чугуны со специальными свойствами содержат также легирующие элементы – хром, никель, медь, молибден и др.

Чугун – наиболее широко применяемый материал для изготовления литых деталей, используемых при относительно невысоких напряжениях и малых динамических нагрузках. Преимущества чугуна в сравнении со сталью – высокие литейные свойства и небольшая стоимость. Чугуны также лучше обрабатываются резанием, чем большинство сталей (кроме автоматных сталей), но плохо свариваются, обладают меньшей прочностью, жесткостью и пластичностью.

В зависимости от состояния углерода в чугуне различают:
белый чугун
серый чугун(ГОСТ 1412 – “Чугун с пластинчатым графитом для отливок”)
ковкий чугун(ГОСТ 1215 – “Отливки из ковкого чугуна”)
высокопрочный чугун(ГОСТ 7293 – “Чугун с шаровидным графитом для отливок”)

В белом чугуне весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита Fe3C.
У белого чугуна высокая износостойкость и твердость, однако он хрупок и плохо обрабатывается резанием, поэтому в машиностроении они находят ограниченное применение и идут, в основном, в передел на сталь.
По содержанию углерода серый чугун подразделяют на:
Доэвтектический с содержанием углерода от 2,14% до 4,3%
Эвтектический с содержанием углерода 4,3%
Заэвтектический с содержанием углерода от 4,3% до 6,67%.

В сером, ковком, высокопрочном чугунах весь углерод или большая его часть находится в виде графита различной формы (их еще называют графитными).

В структуре серых чугунов графит пластинчатой формы.
Серые чугуны содержат: 3,2-3,5% углерода, 1,9-2,5% кремния, 0,5-0,8% марганца, 0,1-0,3% фосфора и менее 0,12% серы.
Отливки деталей из серых чугунов получают в кокилях – земляных или металлических формах.
Серый чугун находит широкое применение в машиностроении. Ввиду невысоких механических свойств у отливок из серого чугуна и простоты получения их применяют для изготовления деталей менее ответственного назначения, деталей, работающих при отсутствии ударных нагрузок. В частности из них делают крышки, шкивы, станины станков и прессов.
Пример обозначения серого чугуна: СЧ32-52. Буквы обозначают серый чугун (СЧ), первое число обозначает предел прочности при растяжении (32 кгс/мм2 или 320 МПа), второе число – предел прочности при изгибе.

В структуре ковких чугунов графит хлопьевидной формы.
Ковкие чугуны содержат: 2,4-3,0% углерода, 0,8-1,4% кремния, 0,3-1,0% марганца, менее 0,2% фосфора, не более 0,1% серы.
Ковкий чугун получают из белого чугуна в результате нагрева и длительной выдержки. Эту процедуру называют графитизирующим отжигом или томлением.
Пример обозначения ковкого чугуна: КЧ45-6. Буквы обозначают ковкий чугун (КЧ), первое число – предел прочности при растяжении (45 кгс/мм2 или 450 МПа), второе – относительное удлинение в % (6%).

Высокопрочный чугун содержит графит шаровидной формы.
Он имеет наиболее высокие прочностные свойства.
Высокопрочный чугун содержит: 3,2-3,8% углерода, 1,9-2,6% кремния, 0,6-0,8% марганца, до 0,12% фосфора и не более 0,3% серы.
Высокопрочный чугун получают путем модифицирования (т.е. введения добавки-модификатора – магния) жидкого расплава. Модификаторы способствуют образованию графитных включений шаровидной формы, благодаря чему механические свойства такого чугуна приближаются к свойствам угеродистых сталей, а литейные свойства выше (но ниже, чем у серых чугунов).
Из высокопрочных чугунов изготавливают ответственные детали для машиностроения – поршни, цилиндры, коленчатые валы, тормозные колодки. Также из высокопрочного чугуна изготавливают трубы.
Пример обозначения высокопрочного чугуна: ВЧ45-5. Буквы обозначают высокопрочный чугун (ВЧ), первое число обозначает предел прочности при растяжении (45 кгс/мм2 или 450 МПа), второе – относительное удлинение в %.

Сравниваем серый и белый чугун | Важные отличия

Чугун – это один из самых известных материалов для производства литых изделий. Он характеризуется прочностью, хорошей износоустойчивостью, теплопроводностью и другими привлекательными эксплуатационными качествами. Вот только он сам по себе – не металл. Это сплав.

По нормативам этот материал являет собой сплав железа с углеродом. Металлической части в нём не менее 90%, неметаллической – до 6,67%. Кроме непосредственно углерода, сплав может включать и другие примеси – марганец, фосфор, кремний и так далее. От процентного соотношения этих включений зависит не только марка, но и физико-химические свойства.

Так, наиболее широко применяются белый и серый чугуны. Они как раз различаются процентом содержания углерода в составе. И из-за этого эксплуатационные свойства также разнятся.

В этой статье мы разберёмся, в чём разница между серым и белым чугуном – и что лучше использовать в тех или иных целях.

«Серый» чугун

Серый чугун содержит до 3,5% углерода в своём составе. Причём этот неметалл представлен в графитовой своей форме (то есть в виде гексагональных пластинчатых двумерных кристаллов). Кроме того, ГОСТ 1412 предусматривает включение в состав таких веществ, как:

Кремний (до 2,5%). Улучшает литейные свойства, повышает мягкость, но при этом находится в недостаточных для снижения устойчивости к деформациям пропорциях;

Марганец (до 0,8%). Повышает прочность, формирует устойчивые внутренние напряжения, которые увеличивают устойчивость к внешним механическим воздействиям;

Фосфор (до 0,3%). Вредная примесь, от которой, тем не менее, не удаётся полностью избавиться при производстве. Впрочем, концентрация её в «сером» минимальны.

В целом состав материала обеспечивает превосходную устойчивость и износостойкость. Именно поэтому он наиболее широко используется в тяжёлом машиностроении для производства деталей, не подвергающихся ударным воздействиям. Также его применяют для изготовления конструкционных элементов станков.

Интересной особенностью «серого» является его текучесть при литье. Поэтому ещё одна сфера его применения – это изготовление художественных изделий. Различные чугунные заборы со сложной геометрией и текстурой, элементы витражей и декоративные изделия – всё это изготавливается именно из данного сплава.

Кроме того, он податлив для обработки резанием.

С другой стороны, механическая прочность его достаточно средняя. При ударных нагрузках и подобных воздействиях деталь может треснуть или расколоться. Его редко используют для отливки «ответственных» функциональных узлов и конструкционных элементов, что также обусловлено небольшой прочностью.

Зато «серый материал» устойчив к сжатию и выдерживает даже серьёзные нагрузки. Как следствие, он используется в производстве колонн, канализационных, водопроводных и отопительных труб, станин станков и поршней двигателей.

Достоинства

Прочность на сжатие, позволяющая использовать детали под нагрузкой;

Механическая устойчивость и износостойкость;

Текучесть при литье.

Недостатки

Низкая прочность, из-за чего конструкция плохо переносит ударные нагрузки;

В бытовой среде серый чугун практически не применяется, да и в производстве он чаще используется для дальнейшего преобразования в ковкие, износостойкие и пластичные варианты. После легирования другими примесями он также может использоваться для изготовления посуды.

Читать еще:  Для чего используется цинк

«Белый» чугун

Белый чугун – железоуглеродный сплав, в котором весь углерод находится в связанном состоянии (в виде цементита Fe3C). Содержание данного неметалла – до 3,8%. И это значительно изменяет эксплуатационные свойства материала. Других примесей, к слову, практически нет.

Белый чугун характеризуется твёрдостью – и при этом он очень хрупкий. Разрушение или деформация изготовленного из него изделия может произойти вследствие как механических, так и термических внешних факторов. Кроме того, данный сплав практически не обладает важными для производства конечных продуктов качествами.

Так, он не пластичен, плохо поддаётся литью, устойчив к резанию и ковке. Из-за этого изготовить из него предметы сложной геометрии или малых размеров не представляется возможным.

Да и сам по себе «белый материал» практически не используется в производстве. Он служит основой для других сплавов – включая высокопрочный и ковкий. Кроме того, его очень часто переделывают в сталь – соединения железа с углеродом в малых количествах (до 0,6%) и другими постоянными либо легирующими примесями.

Итак, подведём итоги.

Достоинства

Чистота материала (малое содержание сторонних примесей);

Прочность, не поддаётся резанию и другим деформирующим воздействиям;

Недостатки

Крайне низкие эксплуатационные качества, практически не поддаётся обработке;

Малая текучесть, вследствие чего сложен в литье;

Хрупкость, легко трескается и разрушается даже при незначительных ударных воздействиях.

Все эти недостатки делают белый чугун неподходящим для использования ни в машиностроении, ни в других сферах. Поэтому он практически нигде и не применяется. Зато на его основе с легированием сторонними примесями или, напротив, очисткой получают другие практичные и широко использующими сплавы.

Что лучше – серый или белый чугун?

Итак, «серый» текуч, прочен и механически устойчив, но легко повреждается резанием и не всегда переносит ударные нагрузки. Белый, в свою очередь, напротив – практически не повреждается резанием, но при этом очень хрупок, не пластичен, не текуч и в принципе не применяется в чистом своём виде.

Но этим разница между материалами не ограничивается.

Содержание и форма углерода

До 3,5% в виде графита

До 3,8% в виде цементита (соединения Fe3C)

Кремний (до 2,5%), марганец (до 0,8%)

Механическая прочность (способность переносить единичные ударные нагрузки)

Высокая (но недостаточно для производства «ответственных» конструкционных узлов)

Хрупкость (насколько высок риск раскола при ударе или температурном перепаде)

Твёрдость (способность выдерживать режущие нагрузки)

Максимальная среди всех чугунных сплавов

Текучесть (способность принимать сложные формы при литье)

Устойчивость к сжатию

Низкая (обусловлено хрупкостью)

Пластичность (способность деформироваться при ковке или постоянных механических нагрузках)

Износостойкость (способность сохранять форму и эксплуатационные качества при постоянных, периодических или регулярных ударных нагрузках)

В целом белый чугун практически не используется в производстве конечных изделий. Он – сырьё для других сплавов, включая сталь. А вот серый применяется достаточно широко. Но в бытовой сфере проще «встретить» легированный или специально подготовленный – например, высокопрочный, антифрикционный или ковкий чугуны.

Чугун серый и белый: условия образования

Чугуны являются тройными сплавами железо-углерод-кремний. Различают четыре основных типа чугунов:
– серый чугун;
– белый чугун;
– ковкий чугун;
– чугун с шаровидным графитом.

Химический состав этих четырех типов чугунов представлен в таблице ниже.

Таблица – Четыре основных типа чугунов

Серый чугун – графит, белый чугун – цементит

В сером чугуне формируется графитная эвтектика – углерод находится в нем с основном в форме графита, тогда как в белом чугуне образуется цементитная эвтектика и углерод находится в основном в виде цементита Fe3C.

Влияние кремния на тип эвтектики в чугунах

Добавление кремния позволяет графиту образовываться более легко, особенно при формировании непосредственно из жидкой фазы. Возможно, что более правильно было бы даже сказать, что добавка кремния делает более трудным образование цементита Fe3C.

На рисунке 1 показано как кремний снижает температуру эвтектики аустенит-цементит и в то же время поднимает температуру эвтектики аустенит-графит.

Рисунок 1 – Изменение эвтектических температур графита и цементита Fe3C
с увеличением содержания кремния в чугуне от 0 до 2 %

По рисунку 1 для сплава железо-углерод с содержанием кремния 2 % существует две эвтектические температуры: 1163 ºС при образовании графита и 1120 ºС при образовании цементита. В процессе охлаждения сплава жидкость между дендридами продолжает обогащаться углеродом пока температура до тех пор, пока не образуется одна из этих эвтектик.

Конкуренция между графитом и цементитом

Между двумя типами эвтектик происходит своего рода конкуренция зато, какая из них образуется первой. Эта конкуренция включает три важных фактора:

1) Обе типа эвтектик до начала формирования эвтектики требуют некоторого переохлаждения ниже их эвтектических температур, которые показаны на рисунке 1.
2) Величина переохлаждения возрастает с ростом скорости охлаждения.
3) Величина переохлаждения для образования эвтектики аустенит-цементит меньше, чем та, что требуется для образования эвтектики аустенит-графит.

Медленное охлаждение – серый чугун

Предположим, что междендритная жидкость охлаждается до 1130 ºС и при этом ни одна из эвтектик не сформировалась. Затем жидкость охлаждается еще на 33 ºС – с 1163 до 1130 ºС. Этого переохлаждения достаточно для образования графитной эвтектики. Для образования цементитной эвтектики этого охлаждения не достаточно, так как температура жидкости не опустилась ниже 1120 ºС. Поэтому в этих условиях цементитная эвтектика не может образоваться. Теоретически переохлаждения 33 ºС достаточно для образования графитной эвтектики и в результате этого получается серый чугун.

Быстрое охлаждение – белый чугун

Представим, что охлаждение того же железоуглеродистого сплава с 2 % кремния ведется быстрее, так, что необходимая величина переохлаждения для образования графитной эвтектики увеличивается с 33 до 53 ºС. Это значит, что графитная эвтектика не будет образовываться, пока междендритная жидкость не достигнет 1110 ºС. Однако при температуре 1110 ºС жидкость переохлаждается на 10 ºС температуры цементитной эвтектики 1120 ºС. Поскольку для формирования цементитной эвтектики достаточно небольшого переохлаждения – менее 10 ºС – этот сплав затвердеет как белый чугун.

Практика производства чугунов

Эти «теоретические» выкладки подтверждают практические рекомендации для производства серого и белого чугунов:
1) При одном и том же химическом составе чугуна он будет белым чугуном при быстром охлаждении или серым чугуном при медленном охлаждении.
2) Повышенное содержание кремния в чугуне способствует образованию серого чугуна. Различие графитной и цементитной эвтектических температур снижается с 43 ºС для содержания кремния 2 % до только 6 ºС в чугуне совсем без кремния.
3) В чугуне без кремния, как правило, образуется белый чугун. Это происходит потому, что междендритная жидкость раньше достигает переохлаждения для «белой эвтектики», чем для «серой эвтектики».

Читать еще:  Почему все металлы пластичны

Источник: John D. Verhoeven, Steel Metallurgy for Non-Metallurgists, 2007

Чугун

Чугун начали применять много десятилетий назад. Этот материал обладает особыми эксплуатационными характеристиками, которые отличаются от свойственных стали. Производство чугуна, несмотря на появление большого количества различных сплавов, налажено во многих странах. Для того чтобы определить свойства чугуна, следует рассмотреть особенности его химического состава, от чего зависят те или иные физические качества.

Химический состав чугуна является важным фактором, который во многом определяет механические свойства получаемых отливок. Кроме этого, на многие свойства оказывает влияние механизмы первичной и вторичной кристаллизации.

Содержание углерода в чугуне может варьироваться в пределах от 2,14 до 6,67 процентов. Современные технологии производства позволяют с высокой точностью контролировать концентрацию всех элементов в составе, за счет чего снижается показатель хрупкости и увеличиваются другие эксплуатационные характеристики.

Рассматривая химический состав чугуна следует отметить, что в него, кроме железа и углерода, обязательно входят следующие элементы:

  1. Кремний (концентрация не более 4,3%). Данный элемент оказывает благоприятное воздействие на чугун, делая его более мягким и улучшая его литейные свойства. Однако слишком высокая концентрация может сделать материал более восприимчивым к пластичной деформации.
  2. Марганец (не более 2%). За счет добавления этого элемента в состав существенно увеличивается прочность материала. Однако слишком большая концентрация может стать причиной хрупкости структуры.
  3. Сера относится к вредным примесям, который могут существенно ухудшать эксплуатационные качества материала. Как правило, концентрация серы в составе чугуна не превышает показателя 0,07%. Сера становится причиной появления трещин при нагреве состава.
  4. Фосфор содержится в составе в концентрации менее 1,2%. Повышение концентрации фосфора в составе становится причиной появления трещин при охлаждении состава. Кроме этого, данный элемент становится причиной ухудшения других механических качеств.

Как и во многих других составах, наиболее важным из химических элементов чугуна является углерод. От его концентрации и вида зависит разновидность материала. Структура чугуна может существенно различаться в зависимости от применяемой технологии производства.

Физический свойства

Чугун получил широкое распространение благодаря привлекательным физическим качествам:

  1. Стоимость материала существенно ниже стоимости других сплавов. Именно поэтому его применяют для создания самых различных изделий.
  2. Рассматривая плотность чугуна, отметим, что данный показатель существенно ниже, чем у стали, за счет чего материал становится намного легче.
  3. Температура плавления чугуна может несколько различаться в зависимости от его структуры, в большинстве случаев составляет 1 200 градусов Цельсия. За счет включения в состав различных добавок температура плавления чугуна может существенно повышаться или уменьшаться.
  4. При выборе материала многие уделяют внимание тому, что цвет чугуна может несколько отличаться в зависимости от структуры и химического состава.

Температура кипения чугуна также во многом зависит от химического состава. Для того, чтобы рассмотреть физические свойства материала, следует уделить внимание каждой его разновидности. Иная структура и химический состав становятся причиной придания иных физико-механических качеств.

Технология производства

Выплавка чугуна проводится на протяжении нескольких десятилетий, что связано с его уникальными эксплуатационными качествами. Большое количество разновидностей сплавов определяет применение особых правил маркировки. Маркировка чугунов проводится следующим образом:

  1. Литейные обозначаются буквой Л.
  2. Серый получил широкое распространение, для его обозначения применяется сочетание букв «СЧ».
  3. Ковкий обозначают КЧ.
  4. Предельный или белый обозначают буквой П.
  5. Антифрикционный или серый обозначают АЧС.
  6. Легированные чугуны могут обладать самым различным химическим составом и обозначаются буквой «Ч».

Технология производства чугуна предусматривает проведение нескольких этапов, которые позволяют получить требуемую структуру. Рассматривая процесс получения чугуна, отметим следующие моменты:

  1. Производство проводится в специальных доменных печах.
  2. Легированный и жаростойкий чугун могут получаться при использовании в качестве сырья железной руды.
  3. Технология представлена в восстановлении оксидов железа руды. В результате перестроения кристаллической решетки и изменения структуры на выходе получается материал, который называют чугуном.
  4. Рассматривая способы производства, отметим, что особенности технологии также заключаются в применяемых материалах – коксах. Под коксом подразумевают природный газ или термоантрацит, выступающие в качестве топлива.
  5. Изготовление чугуна предусматривает отпуск железа в твердой форме при применении специальной печи. На данном этапе получается жидкий чугун.

Оборудование для производства чугуна может существенно отличаться. Кроме этого, применяемая технология производства во многом определяет то, какой будет получен материал. Примером можно назвать производство ВЧШГ, которое связано с приданием структуре необычную форму.

Разновидности чугуна

Существует довольно большое количество разновидностей рассматриваемого материала. Классификация чугунов во многом зависит от структуры и химического состава. Выделяют следующие виды чугуна:

  1. Серый. Эта разновидность материала характеризуется низкой пластичностью и высокой вязкостью, а также хорошей обрабатываемостью резанием. В составе углерод содержится в виде графита. Область применения – машиностроение; производство деталей, работающих на износ. Как показывает практика, концентрация фосфора может варьироваться в достаточно большом диапазоне: от 0,3 до 1,2%. За счет особого химического состава материал обладает высокой текучестью и часто применяется в художественном литье. Антифрикционный чугун обходится в относительно невысокую стоимость, что также определяет его широкое распространение.
  2. Белый. За счет того, что в этом составе углерод представлен в качестве цементита, структура характеризуется чрезвычайной хрупкостью и повышенной твердостью, а также низкими литейными свойствами и плохой обрабатываемостью резанием. Стоит учитывать, что белый чугун применяется для переделки в сталь или изготовлении ковкого. Очень часто его называют предельным.
  3. Половинчатый характеризуется повышенной устойчивостью к износу, что связано с распределением углерода на цементитную и свободную основу. Часто эта разновидность материала применяется в машиностроении и станкостроении.
  4. Легированный. Для того чтобы придать особые свойства чугуну также проводится его легирование. Легированный чугун обладает повышенной износостойкостью, коррозионной стойкостью за счет включения в состав никеля и хрома, а также меди. Подобные варианты исполнения чугуна получают свое название в зависимости от того, как легирующий элемент использовался при их изготовлении.
  5. Высокопрочный чугун производится путем введения в состав жидкого серого чугуна различных элементов, к примеру, магния и кальция. В результате легирования меняется форма графита – он напоминает шар и при этом не меняет кристаллическую решетку. Стоит учитывать, что по своим свойствам этот металл напоминает углеродистую сталь, применяется, в основном, при изготовлении различных износостойких деталей.
  6. Ковкий. Получают его при переплавке белого чугуна, который следует нагреть до высокой температуры и выдерживать в подобном состоянии. В некоторых случаях для придания составу особых качеств проводится добавление легирующих элементов. Основными свойствами можно назвать высокую вязкость и повышенную степень пластичности. Получил широкое распространение в машиностроительной промышленности.
  7. Специальный. Представляет собой сплав, в который входит большое количество марганца и кремния. Зачастую применяется для удаления кислорода из стали при его производстве или переплавке, за счет чего понижается температура плавления.
Читать еще:  Какой самый крепкий металл в мире

Каждая разновидность чугуна обладает своей особой структурой и химическим составом, которые и определяют область применения.

Применение

Из-за особых физико-механических качеств применение чугуна стало возможно в самых различных сферах:

  1. Для производства различных деталей в машиностроительной отрасли. На протяжении многих лет именно этот сплав применяется при изготовлении самых различных деталей для двигателя внутреннего сгорания. При этом автопроизводители проводят изменение основных свойств материала путем его легирования, что необходимо для достижения уникальных качеств. Кроме этого, большое распространение получили тормозные колодки из данного сплава.
  2. Изделия из чугуна могут выдерживать воздействие низкой температуры. Поэтому материал применяется при производстве техники и инструментов, которые эксплуатируются в жестких климатических условиях.
  3. Ценится чугун в металлургической области. Это связано с невысокой стоимостью, которая во многом зависит от концентрации углерода и особенностей получаемой структуры. Высокие литейные качества также делают материал более привлекательным. Получаемые изделия характеризуются высокой прочностью и износостойкостью.
  4. На протяжении нескольких последних десятилетий рассматриваемый сплав широко применяется при изготовлении сантехнического оборудования. Это связано с высокими антикоррозионными способностями, а также возможностью получения изделий самой различной формы. Примером можно назвать чугунные ванны и радиаторы, различные трубы, батареи и мойки. Несмотря на появление материалов, которые могли бы заменить чугун, подобные изделия пользуются большой популярностью. Это связано с тем, что они сохраняют первозданный вид на протяжении длительного периода эксплуатации.
  5. Применяется сплав и для изготовления различных декоративных элементов, что связано с высокими литейными качествами. Примером можно назвать решетку для перил, различные статуэтки и многое другое.

Кроме этого, область применения зависит от нижеприведенных свойств рассматриваемого материала:

  1. Некоторые марки обладают высокой прочностью, которая характерна для стали. Именно поэтому материал применяется даже после появления современных сплавов.
  2. Чугунные изделия могут на протяжении длительного периода сохранять тепло. При этом тепловая энергия может равномерно распространяться по материалу. Эти качества стали использоваться при изготовлении отопительных радиаторов или других подобных изделий.
  3. Принято считать, что чугун – экологически чистый материал. Именно поэтому его часто применяют при изготовлении различной посуды, к примеру, казана.
  4. Высокая стойкость к воздействию кислотно-щелочной среды.
  5. Высокая гигиеничность, так как все загрязняющие вещества могут легко удаляться с поверхности.
  6. Рассматриваемый материал характеризуется достаточно длительным сроком службы при условии соблюдения рекомендаций по эксплуатации.
  7. Входящие в состав химические вещества не могут нанести вреда здоровью.

В заключение отметим, что давно открытая технология производства рассматриваемого материала на протяжении многих лет оставалась практически неизменной. Это связано с тем, что при относительно невысоких затратах можно было получить большой объем расплавленного сплава. На сегодняшний день часто проводится производство материала из лома, что позволяет еще в большой степени снизить себестоимость получаемого продукта.

Чугун серый и белый: условия образования

Чугуны являются тройными сплавами железо-углерод-кремний. Различают четыре основных типа чугунов:
– серый чугун;
– белый чугун;
– ковкий чугун;
– чугун с шаровидным графитом.

Химический состав этих четырех типов чугунов представлен в таблице ниже.

Таблица – Четыре основных типа чугунов

Серый чугун – графит, белый чугун – цементит

В сером чугуне формируется графитная эвтектика – углерод находится в нем с основном в форме графита, тогда как в белом чугуне образуется цементитная эвтектика и углерод находится в основном в виде цементита Fe3C.

Влияние кремния на тип эвтектики в чугунах

Добавление кремния позволяет графиту образовываться более легко, особенно при формировании непосредственно из жидкой фазы. Возможно, что более правильно было бы даже сказать, что добавка кремния делает более трудным образование цементита Fe3C.

На рисунке 1 показано как кремний снижает температуру эвтектики аустенит-цементит и в то же время поднимает температуру эвтектики аустенит-графит.

Рисунок 1 – Изменение эвтектических температур графита и цементита Fe3C
с увеличением содержания кремния в чугуне от 0 до 2 %

По рисунку 1 для сплава железо-углерод с содержанием кремния 2 % существует две эвтектические температуры: 1163 ºС при образовании графита и 1120 ºС при образовании цементита. В процессе охлаждения сплава жидкость между дендридами продолжает обогащаться углеродом пока температура до тех пор, пока не образуется одна из этих эвтектик.

Конкуренция между графитом и цементитом

Между двумя типами эвтектик происходит своего рода конкуренция зато, какая из них образуется первой. Эта конкуренция включает три важных фактора:

1) Обе типа эвтектик до начала формирования эвтектики требуют некоторого переохлаждения ниже их эвтектических температур, которые показаны на рисунке 1.
2) Величина переохлаждения возрастает с ростом скорости охлаждения.
3) Величина переохлаждения для образования эвтектики аустенит-цементит меньше, чем та, что требуется для образования эвтектики аустенит-графит.

Медленное охлаждение – серый чугун

Предположим, что междендритная жидкость охлаждается до 1130 ºС и при этом ни одна из эвтектик не сформировалась. Затем жидкость охлаждается еще на 33 ºС – с 1163 до 1130 ºС. Этого переохлаждения достаточно для образования графитной эвтектики. Для образования цементитной эвтектики этого охлаждения не достаточно, так как температура жидкости не опустилась ниже 1120 ºС. Поэтому в этих условиях цементитная эвтектика не может образоваться. Теоретически переохлаждения 33 ºС достаточно для образования графитной эвтектики и в результате этого получается серый чугун.

Быстрое охлаждение – белый чугун

Представим, что охлаждение того же железоуглеродистого сплава с 2 % кремния ведется быстрее, так, что необходимая величина переохлаждения для образования графитной эвтектики увеличивается с 33 до 53 ºС. Это значит, что графитная эвтектика не будет образовываться, пока междендритная жидкость не достигнет 1110 ºС. Однако при температуре 1110 ºС жидкость переохлаждается на 10 ºС температуры цементитной эвтектики 1120 ºС. Поскольку для формирования цементитной эвтектики достаточно небольшого переохлаждения – менее 10 ºС – этот сплав затвердеет как белый чугун.

Практика производства чугунов

Эти «теоретические» выкладки подтверждают практические рекомендации для производства серого и белого чугунов:
1) При одном и том же химическом составе чугуна он будет белым чугуном при быстром охлаждении или серым чугуном при медленном охлаждении.
2) Повышенное содержание кремния в чугуне способствует образованию серого чугуна. Различие графитной и цементитной эвтектических температур снижается с 43 ºС для содержания кремния 2 % до только 6 ºС в чугуне совсем без кремния.
3) В чугуне без кремния, как правило, образуется белый чугун. Это происходит потому, что междендритная жидкость раньше достигает переохлаждения для «белой эвтектики», чем для «серой эвтектики».

Источник: John D. Verhoeven, Steel Metallurgy for Non-Metallurgists, 2007

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector