Плавление чугуна: оптимальная температура, классификация материала, сравнение со сталью

Температуры плавления чугунов значительно ниже ( на 300 — 400 С), чем у стали, что облегчает процесс литья.

Температура плавления чугуна ниже температуры то воспламенения, а появляющиеся тугоплавкие окислы кремния препятствуют нормальному процессу резки. Цветные металлы не режутся в связи с высокой температурой плавления образующихся окислов и значительной теплопроводностью.

Температура плавления чугуна ниже температуры t — то воспламенения, а появляющиеся тугоплавкие окислы кремния препятствуют нормальному процессу резки. Цветные металлы не режутся в связи с высокой температурой плавления образующихся окислов и значительной теплопроводностью.

Температура плавления чугуна ниже температуры горения железа, поэтому кислородная резка чугуна без применения флюса затруднена. При резке чугуна кремний, сгорая, дает тугоплавкую окисную пленку, препятствующую резке. А углерод при сгорании загрязняет режущий кислород, препятствуя тем самым сгоранию железа.

Кислородная резка чугуна без флюса также затруднена, так как температура плавления чугуна ниже температуры горения железа. Содержащийся в чугуне кремний дает тугоплавкую пленку окиси, которая препятствует нормальному протеканию резки. При сгорании углерода чугуна образуется газообразная окись углерода, загрязняющая режущий кислород и препятствующая сгоранию железа.

Обычная сварка чугуна производится при температуре сварочной ванны, превышающей температуру плавления чугуна.

Монель имеет температуру плавления 1260 — 1340 С, что соответствует температуре плавления чугуна. и благодаря никелю хорошо сплавляется с чугуном.

Однако этот сплав дает значительную усадку, что приводит к появлению высоких внутренних напряжений, способствующих образованию трещин.

Поэтому монель наплавляют короткими валиками длиной 40 — 50 мм и сразу же после этого проковывают шов молотком.

Чугун, содержащий углерода свыше 1 7 %, не режется кислородом, так как температура плавления чугуна ниже, чем температура его горения в струе кислорода.

Чугун, как известно, не поддается кислородной резке обычными приемами ввиду того, что температура плавления чугуна ниже температуры его воспламенения в кислороде, а образующаяся при резке на поверхности детали пленка кремнесодержащпх окислов значительно более тугоплавка, чем основной металл.

Сварка чугуна затрудняется также образованием различных тугоплавких окислов с более высокой температурой плавления, чем температура плавления чугуна.

В расплавленном состоянии чугун быстро окисляется и покрывается окислами, температура плавления которых может быть выше температуры плавления чугуна.

Чугун отливается, обрабатывается на станках и поддается сварке, при нагреве он не размягчается и остается хрупким; температура плавления чугуна — 1150 — 1250 С.

Но только при содержании в меди 10 — 15 % железа можно получить сплав с температурой плавления 1330 — 1370 С, близкой к температуре плавления чугунов. В этом случае обеспечивается смешиваемость составляющих самого расплава с чугуном.

Однако после затвердевания наплавка представляет собой мягкую медную основу с различными по форме и величине вкраплениями очень твердой стальной составляющей. Эти включения и затрудняют механическую обработку металла.

Частично диффундируя в основной металл, медь проявляет себя как графитизатор, поэтому на участке / околошовной зоны отбел проявляется слабо.

Чугун представляет собой сплав железа с углеродом. Содержание последнего в чугуне может изменяться в пределах 2,0. 6,7%. Кроме углерода в нем присутствуют кремний, марганец, сера и фосфор, причем серы и фосфора в чугуне больше, чем в стали.

Классификация чугуна

Чугун классифицируют по следующим признакам:

• химическому составу: легированный;нелегированный;
• прочности: обычной прочности; высокопрочный;
• структуре: белый чугун — очень твердый материал, плохо поддающийся механической обработке и сварке.  Вследствие этого применяется в основном для получения ковкого чугуна (посредством нагревания до температуры 800. 850°С и длительной выдержки); серый чугун — мягок, хорошо обрабатывается режущим инструментом, имеет температуру плавления в пределах 1100. 1250°С в зависимости от содержания углерода. Чем больше углерода, тем ниже температура плавления чугуна и выше его жидкотекучесть. Хорошо сваривается;

  ковкий чугун — нагревание до температуры выше 900 °С приводит к значительному ухудшению ковкости и свариваемости. После сварки требуется термообработка для восстановления структуры материала.

Влияние химических элементов на свойства чугуна

В зависимости от содержания тех или иных легирующих элементов чугун приобретает определенные свойства. Углерод — повышение его содержания в чугуне приводит к ухудшению свариваемости, порообразованию и снижению температуры плавления. Кремний — затрудняет процесс сварки вследствие образования тугоплавких оксидов.

Марганец — при содержании свыше 1,5 % ухудшает свариваемость чугуна. Магний — повышает прочность чугуна. Хром — повышает кислотостойкость чугуна. Молибден — способствует улучшению механических свойств при динамических нагрузках. Сера — вредная примесь; снижает прочность и способствует образованию горячих трещин при сварке.

Ее содержание не должно превышать 0,15%.

Фосфор — повышает жидкотекучесть и свариваемость чугуна, но в то же время приводит к возрастанию хрупкости и твердости. Его содержание не должно превышать 0,3%.

Условные обозначения чугуна

Согласно ГОСТ 1412—85 серый чугун обозначают двумя заглавными буквами СЧ и через дефис проставляют два числа, первое из которых представляет собой значение предела прочности чугуна, в десятках МПа, при растяжении, а второе — при изгибе. Пример. СЧ-15-32 — серый чугун с пределом прочности при растяжении 150 МПа (15 кгс/мм2) и пределом прочности при изгибе 320 МПа (32 кгс/мм2).

Ковкий чугун обозначают заглавными буквами КЧ и через дефис проставляют два числа, первое из которых — значение предела прочности при растяжении, в десятках МПа, а второе — относительное удлинение, выраженное в процентах.

Пример. КЧ-35-10 — ковкий чугун с пределом прочности при растяжении 350 МПа (35 кгс/мм2) и относительным удлинением 10%.

Источник:

Материал чугун: основные свойства и важные характеристики

Чугун состоит из углерода, железа и некоторых примесей. Это один из главных материалов черной металлургии. Чугун используются при изготовлении предметов быта и коммунального хозяйства, деталей машин и в других отраслях. Его применяют в производстве, ориентируясь и учитывая его свойства и характеристики.

Данная статья как раз и призвана рассказать вам о плотности высокопрочного, жидкого, белого и серого чугуна, его температурах плавления и удельная теплоемкость также будут рассмотрены отдельно.

Тепловые свойства чугуна

У чугуна, как и у любого металла, присутствуют следующие свойства: тепловые, физические, механические, гидродинамические, электрические, технологические, химические. Каждые свойства рассмотрим подробнее.

Это видео рассказывается о структуре и составе чугунных сплавов и зависимости их свойств от определенного состава:

Теплоемкость

Тепловую емкость чугуна определяют с помощью правила смещения. Когда теплоемкость чугуна достигает температурного периода, начало которого начинается с температуры, значение которой больше фазовых превращений и заканчивается на отметке равной температуры плавления, то теплоемкость чугуна принимает значение 0,18 кал/Го С.

Если значение температуры плавления превышает абсолютное значение, то теплоемкость равна 0,23±0,03 кал/Го С. Если происходит процесс затвердения, то тепловой эффект равняется 55±5 кал. Тепловой эффект зависит от количества перлита, когда происходит перлитное превращение. Обычно он принимает значение 21,5±1,5кал/Г.

За величину объемной теплоемкости принимают произведение удельного веса на удельную теплоемкость. Для твердого чугуна эта величина составляет 1 кал/см3*ºС, для жидкого – 1,5 кал/см3*ºС.

Удельная теплоемкость чугуна равна 540 Дж/кг С.

Теплопроводность

В отличие от теплоемкости, теплопроводность не определяется по правилу смещения. Только в случае изменения величины графитизации, на теплопроводность будет влиять состав чугуна.

Температуропроводность

Значение температуропроводности твердого чугуна (при крупных расчетах) может быть принята равной его теплопроводности, а жидкого чугуна – 0, 03 см2*/сек.

Температура плавления

Чугун плавится при температуре 1200ºС. Это значение температуры ниже температуры плавления стали на 300 градусов. При повышенном содержании углерода, этот химический элемент имеет на молекулярном уровне тесную связь с атомами железа.

В процессе плавления чугуна и его кристаллизации углеродная составляющая не может полностью пронизать структурную решетку железа. Вследствие этого материал чугун примеряет на себя свойство хрупкости. Чугун используют для деталей, от которых требуется повышенная прочность. Однако чугун не применяют при изготовлении предметов, на которые будут действовать постоянные динамические нагрузки.

В таблице ниже указана температура плавления чугуна в сравнении с другими металлами.

Физические характеристики

Масса

Вес материала меняется в зависимости от количества связанного углерода и наличия определенного процента пористости. Удельный вес чугуна при температуре плавления может существенно снижаться в зависимости от наличия в чугуне примесей.

Кроме этого линейное расширение металла и структура чугуна меняется в зависимости от состояния каждого показателя. То есть это зависимые величины.

Удельный вес каждого чугуна отличается в зависимости от вида материала. У серого чугуна удельная масса равна 7,1±0,2 г/см3, у белого — 7,5±0,2 г/см3 , у ковкого — 7,3±0,2 г/см3.

Объем чугуна, проходя через температуру фазовых превращений, достигает увеличения в 30%. Однако, при нагреве в 500ºС, объем увеличивается на 3%. Росту помогают графитообразующие элементы. Тормозят рост объема карбидообразующие составляющие. Та же росту препятствует нанесение на поверхность гальванических покрытий.

Содержание углерода обычно составляет не менее 2,14%. Благодаря углеродной доле чугун имеет отличную твердость. Однако пластичность и ковкость материала на этом фоне страдают.

О том, какова плотность чугуна, расскажем ниже.

Плотность

Плотность описываемого материала, чугуна, равна 7,2 гр/см3. Если сравнивать с чугуном другие металлы и сплавы, то это значение плотности достаточно высокое.

Благодаря хорошему значению плотности чугун широко применяют для литья разнообразных деталей в промышленности. По этому свойству чугун совсем незначительно уступает некоторым сталям.

Механические особенности

Предел прочности

Предел прочности чугуна при сжатии зависит от структуры самого материала. Составляющие структуры набирают свою прочность вместе с увеличением уровня дисперсности.

На предел прочности оказывают сильное влияние количество, величина, распределение и формаграфитных включений. Предел прочности уменьшается на заметную величину, если графитные включения расположены в виде цепочки.

Такое расположение уменьшает сплоченность металлической массы.

Предел прочности достигает максимального значения, когда графит принимает сфероидальную форму. Получается такая форма без влияния температуры, но при включении в чугунную массу церия и магния.

• При повышении температуры плавления до 400ºС, предел прочности не изменяется.
• Если температура поднимается выше этого значения, то предел прочности уменьшается.
• Заметим, что при температуре от 100 до 200ºС предел прочности может снижаться на 10-15%.

Пластичность

Пластичность чугуна в большей степени зависит от формы графита, а так же зависят от структуры металлической массы. Если графитные включения имеют сфероидальную форму, то процент удлинения может достигать 30.

• В обычном чугуне серого вида удлинение достигает только десятой доли.
• В отожженном чугуне серого вида удлинение равно 1,5%.

Упругость

Упругость зависит от формы графита. Если графитные включения не менялись, а температура повышалась, то упругость остается при том же значении.

Модуль упругости считается условной величиной, так как он имеет относительное значение и прямо зависит от присутствия графитных включений. Модуль упругости снижается, если увеличивается количество графитных включений. Так же модуль упругости возрастает, если форма включений отдалена от глобулярной формы.

Ударная вязкость

Этот показатель отражает динамические свойства материала. Ударная вязкость чугуна повышается:

• когда форма графитных включений приближена к шаровидной;
• когда содержание феррита увеличивается;
• когда уменьшается содержание графита.

Предел выносливости

Предел выносливости чугуна становится больше, когда увеличивается частота нагружений и становится больше предел прочности.

Гидродинамические свойства

Динамическая вязкость

Вязкость становится меньше, если в чугуне увеличивается количество марганца. Так же замечено уменьшение вязкости при снижении содержания серной примеси и прочих неметаллических оставляющих.

На процесс влияет значение температуры. Так вязкость становится меньше при прямопропорциональном отношении двух температур (температура проходящего опыты и начала затвердевания).

Поверхностное натяжение

Это показатель равен 900±100 дин/см2. Значение увеличивается при снижении количества углерода и терпит существенные изменения при наличии неметаллических составляющих.

Токсичность

Из чугуна часто изготавливают посуду. Дело в том, что как материал чугун не обладает токсичностью и прекрасно переносит перепады температур.

Электрические характеристики

Электропроводность чугуна оценивают с помощью закона Курнакова. Электросопротивление некоторых видов приведено ниже:

• белый чугун — 70±20 Мк·ои·см.
• серый чугун — 80±40 Мк·ои·см.
• ковкий чугун — 50±20 Мк·ои·см.

По ослабевающему действию на электросопротивление элементы твердого чугуна можно расположить так: первый – кремний, второй – марганец, третий- хром, четвертый — никель, пятый – кобальт.

Технологические особенности

Жидкотекучесть может быть определенная различными методами. Этот показатель зависит от формы и свойств чугуна.

Жидкотекучесть становится больше, когда:

• увеличивается перегрев;
• уменьшается вязкость;
• становится меньше затвердевание.

Так же жидкотекучесть зависит от теплоты плавления и теплоемкости.

Химические свойства

Сопротивление коррозии материала зависит от внешней среды и его структуры. Если рассматривать чугун со стороны убывающего электродного потенциала, то его составляющие имеют следующее расположение: графит-цементит, фосфидная эвтектика-феррит.

Следует отметить, что разность потенциалов между графитом и ферритом равняется 0,56 В. В случае увеличения дисперсности, сопротивление коррозии становится меньше. При сильном уменьшении дисперсности происходит обратное действие, сопротивление коррозии уменьшается. На сопротивление чугуна так же влияют легирующие элементы.

Промышленный чугун содержит примеси. Эти примеси сильно сказываются на свойствах, характеристиках и структуре чугуна.

• Так, марганец тормозит процесс графитизации. Выделение графита приостанавливается, в результате чугун приобретает способность отбеливаться.
• Сера ухудшает литейные и механические характеристики.
• Сульфиды в основном образуются в сером чугуне.
• Фосфор улучшает литейные свойства, увеличивает износостойкость и повышает твердость. Однако на этом фоне чугун все же остается хрупким.
• Кремний больше всех влияет на структуру материала. В зависимости от количества кремня получаются белый и ферритный чугун.

Для получения определенных характеристик в чугун часто вводят специальные примеси при его изготовлении. Такие материалы получили название легированные чугуны. В зависимости от добавленного элемента чугуны могут называться алюминиевыми, хромистыми, серными. В основном элементы вводят с целю получить износостойкий, жаропрочный, немагнитный и коррозионностойкий материал.

Источник:

Характеристики и виды чугуна

​В состав чугуна входят железо, углерод и разнообразные примеси, которые придают сплаву определенные свойства. Массовая доля углерода в материале должна быть не менее 2,14%, иначе это будет не чугун, а сталь. Этот элемент придает сплаву повышенную твердость, но снижает его ковкость и пластичность.

Поэтому чугун является достаточно хрупким материалом. Из других постоянных примесей стоит выделить кремний, марганец, серу и фосфор. В некоторые марки чугуна вводят дополнительные присадки, которые позволяют придать сплаву дополнительные свойства.

В качестве легирующих элементов используются хром, никель, ванадий и алюминий.

Плотность чугуна составляет 7,2 грамма на сантиметр кубический. Это является достаточно высоким показателем для металлов и их сплавов. Чугун отлично подходит для литья при производстве разнообразных изделий для всех отраслей промышленности. По этому показателю он незначительно уступает сталям некоторых марок, превосходя все остальные сплавы железа.

Температура плавления чугуна составляет 1200 градусов по Цельсию, что на 250-300 градусов ниже, чем необходимо для плавления стали. Это связано с повышенным содержанием углерода и как следствие его менее тесной связью с атомами железа на межмолекулярном уровне.

При выплавке чугуна и последующей кристаллизации весь углерод не успевает внедриться в структурную решетку железа, поэтому чугун получается хрупким. Его не используют для производства продукции, которая будет эксплуатироваться под воздействием постоянных динамических нагрузок.

Зато он идеально подходит для деталей, к которым предъявляется требование повышенной прочности.

Технология получения чугуна

Получение чугуна — очень материалоемкий процесс, требующий серьезных затрат. На получение одной тонны сплава уходит около 550 килограмм кокса и 900 литров воды. Затраты руды зависят от содержания в ней железа.

Обычно используется сырье с массовой долей элемента не менее 70%, так как обработка более бедных руд экономически неоправданна. Такое сырье сначала проходит процедуру обогащения, а уже потом отправляется на переплавку. Производство чугуна проходит в доменных печах.

Лишь около 2% от всего производимого в мире материала выплавляется в электропечи.

Технологический процесс состоит из нескольких взаимосвязанных этапов. На первом этапе в доменную печь загружают руду, которая содержит так называемый магнитный железняк (соединение двухвалентного и трехвалентного оксидов железа).

Также в качестве сырья могут использоваться руды с содержанием водной окиси железа или его солей. Вместе с сырьем в печь загружают коксующиеся угли, которые предназначены для создания и поддержания высокой температуры.

Кроме того продукты их горения принимают участие в химических реакциях в качестве восстановителей железа.

Дополнительно в топку подает флюс, который выступает в качестве катализатора и помогает породам быстрее плавиться, освобождаю тем самым железо. Стоит отметить, что перед попаданием в доменную печь руда проходит специальную предварительную обработку.

Они измельчается при помощи дробильной установки, так как мелкие частицы быстрее расплавятся. Затем ее промывают, чтобы удалить все лишние элементы, которые не содержать металла.

После этого высушенное сырье проходит обжиг в специальных печах, который позволяет удалить из соединений серу и другие чужеродные элементы.

Когда доменная печь загружена и готова к эксплуатации начинается второй этап производства. После запуска горелок кокс начинает разогревать сырье, выделяя при этом углерод, который, проходя через воздух, реагирует с кислородом и образует оксид.

Этот оксид активно участвует в восстановлении железа из соединений, находящихся в руде. При этом, чем больше газа становится в печи, тем слабее протекает химическая реакция. После достижения определенной пропорции она им вовсе прекращается.

Избыток газов используется как топливо для поддержания температуры в печи. Такой подход имеет несколько положительных моментов. Во-первых, снижаются затраты ископаемого горючего, что несколько удешевляет производство продукции.

А, во-вторых, продукты горения не выбрасываются в атмосферу, загрязняя ее вредными примесями, а продолжают свое участие в технологическом процессе.

Избыток углерода смешивается с расплавом и, поглощаясь железом, образует чугун. Все не расплавившиеся элементы породы всплывают на поверхность и удаляются из материала.

Отходы называют шлаком, который затем пойдет на производство других материалов. После удаления всех лишних частиц в расплав при необходимости добавляют разнообразные присадки.

Таким способом получают два вида сплавов: передельный и литейный чугун.

Разновидности чугуна

Передельный материал используется для производства стали кислородно-конвертерным способом. Этот вид характеризуется низким содержанием марганца и кремния в составе сплава. Литейный чугун идет на производство разнообразной продукции. Он делится на пять разновидностей, который стоит рассмотреть более детально.

Белый чугун является сплавом, в котором избыточная часть углерода содержится в виде цементита или карбида. Свое название он получил за характерный белый цвет в районе излома. Массовая доля углерода в нем составляет более 3%.

Этот материал характеризуется повышенной ломкостью и хрупкостью, поэтому его использование весьма ограничено.

Применяется данный вид при производстве простых деталей, которые работают в статических условиях и не несут дополнительной нагрузки. Добавление в сплав легирующих присадок позволяет повысить технические характеристики материала. Для этих целей используется никель или хром, реже алюминий и ванадий.

Марка данной разновидности, которая носит название «сормайт» используется в качестве нагревательного элемента в различных устройствах. Она обладает хорошими показателями удельного сопротивления и без проблем работает при температурах до 900 градусов по Цельсию.

Из белого чугуна изготавливают ванны для бытовых нужд.

Серый чугун — наиболее распространенная разновидность материала, которая применяется во многих отраслях народного хозяйства. В этом сплаве углерод присутствует в виде графита, перлита или феррито-перлита. Массовая доля углерода находится на уровне 2,5%.

Материал обладает высокой для чугуна прочностью, поэтому используется для производства деталей, имеющих циклическую нагрузку определенного уровня. Из него изготавливают втулки, корпуса различного промышленного оборудования, кронштейны, зубчатые шестеренки.

Графит значительно улучшает действие смазки и снижает влияние трения, так что детали обладают повышенной стойкостью к этому виду износа. При необходимости эксплуатации в агрессивных средах в состав серого чугуна вводятся дополнительные элементы, которые позволят выдержать негативное воздействие.

К ним можно отнести никель, хром, молибден, бор, сурьму, медь. Эти элементы позволяют защитить чугун от влияния коррозии.

Также некоторые из них повышают уровень графитизации свободного углерода в сплаве, что позволяет создать защитный барьер, через который не могут пробиться какие-либо разрушающие элементы.

Половинчатый чугун является промежуточным материалом между первыми двумя разновидностями. В нем часть углерода содержится в виде графита, а часть — в виде карбида. Также в сплаве могут в незначительных долях присутствовать цементит (до 1%) и лидебурит (до 3%). Массовая доля углерода в материале составляет 3,5-4,2%.

Эта разновидность используется для производства деталей, которые будут проходить эксплуатацию в условиях постоянного трения. К ним относятся тормозные колодки для автомобильной промышленности и разнообразные измельчительные валки для станков. Для повышения износостойкости в сплав по традиции вводятся легирующие присадки.

Читайте также:  Как пользоваться мультиметром: инструкции для чайников

Ковкий чугун является разновидностью белого сплава, который был подвергнут специальному отжигу с целью графитизации свободного углерода в составе материала. Этот вид обладает улучшенными демпфированными свойствами по сравнению со сталью. К тому же он менее чувствителен к надрезам и хорошо проявляет себя в работе при низких температурах.

Углерод, массовая доля которого составляет до 3,5%, находится в сплаве в виде феррита, феррито-перлита или зернистого перлита с вкраплениями графита. Используется данный материал в автомобильной промышленности для изготовления деталей, работающих в условиях постоянного трения.

Для повышения его эксплуатационных характеристик в сплав добавляют магний, бор и теллур.

Высокопрочный чугун получается в результате образования в сплаве шаровидной формы включения графита в металлическую решетку. Это ослабляет металлическую основу кристаллической решетки и приводит к появлению улучшенных механических свойств.

Процесс образования шаровидного графита производится путем введения в сплав магния, церия, иттрия и кальция. По своим техническим характеристикам материал очень близок к высокоуглеродистой стали. Он хорошо поддается литью и способен заменять стальные литые элементы в механизмах.

Высокий уровень теплопроводности позволяет использовать данный вид при изготовлении отопительных приборов и трубопроводов.

Какие трудности испытывает чугунная промышленность?

Перспективы развития чугунной промышленности выглядят не особо радужно. Высокий уровень затрат на производство одной тонны материала и большое количество отходов заставляют промышленников искать более дешевые заменители.

Быстрое развитие науки уже сейчас позволяет получать лучшие сплавы при меньших затратах. А в условиях глобальной экологической опасности не обращать внимания на загрязняющий фактор производство недопустимо.

Поэтому металлурги по всему миру отказываются от доменных печей в пользу электрического оборудования.

Но перевести выплавку чугуна на эти рельсы в кратчайшие сроки физически невозможно. Это потребует колоссальных финансовых затрат, которые не потянет ни одно государство.

Так что остается лишь ждать, как скоро промышленники сумеют наладить массовый выпуск новых сплавов. Полностью отказаться от чугуна в ближайшие десятилетия, конечно, не получится, но его мировое производство неуклонно будет снижаться.

Эта тенденция наблюдается уже в течение последних 5-7 лет.

Источник:

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Чугун нормальному процессу кислородной резки не поддается вследствие высокой температуры его воспламенения в кислороде, а также высокой температуры плавления окислов кремния по сравнению с температурой плавления чугуна.

Никель образует с медью непрерывный ряд твердых растворов, в которых при содержании 30 — 65 % N i температура плавления близка к температуре плавления чугунов.

Чугун, как известно, не поддается кислородной резке обычными приемами, так как, во-первых, вследствие высокого содержания углерода температура реакции между железом и кислородом превышает температуру плавления чугуна и, во-вторых, имеющиеся в чугуне частицы графита, являющиеся плохими проводниками тепла, затрудняют теплопередачу внутри реза.

При обычной кислородной резке хромистых и хромоникелевых сталей образуются тугоплавкие окислы хрома, препятствующие резке. Температура плавления чугуна ниже температуры сгорания железа в кислороде, поэтому чугун начинает плавиться раньше, чем гореть в кислороде.

Медь, латунь, бронза имеют высокую теплопроводность и при их окислении выделяется такое количество тепла, которого недостаточно для дальнейшего развития процесса горения металла в месте реза.

Поэтому для указанных металлов применяют способ кислородно-флюсовой резки, осуществляемый установкой типа УРХС.

При обычной кислородной резке хромистых и хромоникелевых сталей образуются тугоплавкие окислы хрома, препятствующие резке. Температура плавления чугуна ниже температуры сгорания железа в кислороде, поэтому чугун начинает плавиться раньше, чем гореть в кислороде.

В расплавленном состоянии чугун усиленно поглощает кислород воздуха и покрывается пленкой окислов. Так кактемпература плавления чугуна 1200 ниже температуры плавления его окислов 1400, при сварке необходимо применять флюсы.

В качестве флюсов употребляются:

• бура Na2B4O7;
• смесь буры Na2B4O7 — 50 %, двууглекислый натрий NaHCO3 — 47 % и окиси кремния SiO2 — 3 %;
• бура — 56 %, углекислый натрий — 22 % и углекислый калий — 22 %;

флюс вносится в свариваемое место путем погружения в него нагретого конца присадочного прутка или насыпается лишь после того, как место сварки нагрето до оплавления.

Основной способ резки — воздушно-дуговая. Кислородная резка затруднена, так как температура плавления чугуна выше температуры воспламенения в кислороде. Применяют ручную дуговую и плазменно-дуговую резку.

Главное применение марганец находит в черной металлургии. При выплавке чугуна его прибавляют для понижения температуры плавления чугуна, а также для удаления серы, так как марганец, соединяясь с ней, переходит в шлак в виде сульфида.

Марганец прибавляют к стали для повышения сопротивления истиранию. Цветным металлам присадка марганца сообщает повышенную твердость.

Он входит в состав сплавов, имеющих малую электропроводность, как, например, манганин ( 12 % Мп, 84 % Си, 4 % Ni), из которого делают проволоку для реостатов.

Углерод и кремний являются важнейшими элементами, входящими в состав чугуна. Они совместно способствуют образованию графита и, понижая температуру плавления чугуна, обеспечивают его высокие литейные качества, жидкотекучесть и хорошее заполнение формы.

Содержание 3 18 % Р почти не влияет на процесс графитизации. Фосфор уменьшает растворимость углерода в ледебурите и понижает температуру плавления чугуна. Фосфор, образуя с ферритом твердый раствор небольшой концентрации, не влияет на процесс отжига ковкого чугуна. С увеличением содержания Р механические свойства ковкого чугуна ухудшаются, особенно ударная вязкость.

Преимущества метода прямого восстановления заключаются в том, что он может быть применен не только к концентратам, но и к рудам. Кроме того, прямое восстановление ведется при температурах ниже температуры плавления чугуна и шлака и дает порошкообразную железную губку, которая может быть непосредственно переплавлена на чугун, причем ванадий концентрируется в шлаке.

Стремление упростить очень сложную аппаратуру привело Лебедева к выработке нового способа определения кислорода в стали, который автор называет вакуум-алюминиевым.

Способ основан на том, что при температурах, лежащих выше температур плавления чугуна и стали, алюминий восстанавливает не только закись железа, но и закись марганца, окись углерода и двуокись кремния.

Отсюда ясно, что если плавить стальной образец с добавкой алюминия в вакууме, во избежание окисления кислородом воздуха, и подбирать все прочие условия опыта ( температуру, процент вводимого алюминия, время выдержки и пр.

Углерод икре м ний являются важнейшими элементами, входящими в состав чугуна. Они совместно способствуют выделению углерода в форме графита, и понижая температуру плавления чугуна, обеспечивают его высокие литейные качества, жидкотекучесть и хорошее заполнение формы.

Вертикальная длинная кирпичная труба заполнена чугуном. Нижний конец трубы поддерживается при температуре Т пл ( пл — -температура плавления чугуна), верхний — при температуре Т2 Тпл. Теплопроводность у расплавленного ( жидкого) чугуна в k раз больше, чем у твердого.

Источник:

Какими свойствами и характеристиками обладает материал?

Чугун является сплавом из железа с углеродом. Углерод входит в состав сплава в пределах 2,14—6,67%. Чугун является недорогим машиностроительным материалом, что обладает отличными литейными характеристиками. Свойства чугуна позволяют ему служить сырьевым продуктом для выплавки стали, а также реализации других полезных задач.

Ближе к сути: описание материала, виды и области применения

Чугун вырабатывается посредством добываемой железной руды, посредством флюсов и топлива. Получение чугунов представляет собой достаточно сложный технологический процесс. Хим. процедура получения металлов состоит из нескольких стадий: восстановления железа, преобразования железа в чугун, а также шлакообразования. Свойства чугуна более наглядно и в деталях показывает курс химии.

Структура чугуна распределяет рассматриваемый материал на белый и черный чугун. Стоит отметить, что углерод, который содержит белый чугун, связан в химическое соединение карбид железа Fe3C – цементит. Относительно серых чугунов, — значительная часть углерода находится в структурно-свободном состоянии, представляя собой графит.

Говоря относительно серых чугунов, стоит упомянуть, что они поддаются мех. обработке, а вот как белый чугун используется в качестве сырья для производства различных изделий довольно редко. Связано это с тем, что белый чугун обладает высокой твердостью, вследствие чего режущий инструментарий его обрабатывать не имеет фактической способности.

Белый чугун используется по большей части в качестве полупродукта для выработки ковких металлов. Полезно знать, что белый и серый чугун получают, опираясь на состав, а также скорость охлаждения чугунов.

Отметим, что свойства чугуна позволяют ему использоваться как конструкционный материал в металлургической, машиностроительной отрасли, других видах промышленности.

Связано подобное распространение рассматриваемого материала по причине многочисленных преимуществ, которыми облает чугун.

Положительные свойства чугуна наряду с незначительной стоимостью и отличными литейными характеристиками – это основные выгодные стороны большого списка преимуществ этого материала. Изделия, изготовленные из чугунов, обладают достаточной степенью прочности, износостойкости во время работы на трение, к тому же характеризуются менее значительной чувствительностью к концентраторам напряжений.

О характеристиках

Свойства чугуна классифицируются по многим параметрам, о которых следует знать. Ниже следует рассмотреть полезные характеристики и параметры, которые имеет белый чугун.

Типы параметров:

• Физические свойства;
• Тепловой свойства;
• Механические свойства;
• Гидродинамические свойства;
• Технологические свойства;
• Химические свойства.

Внимания в первую очередь заслуживают основные свойства, которые имеет белый и серый материал.

Поэтому целесообразной считается информация, дающие исчерпывающие ответы на вопросы относительно того, какими качествами обладает данный материал, чем полезен, из чего состоит?

Общие характеристики

Свойства материала определяют благодаря структуре металлической массы, составляющей основу материала, формой, количеством, расположением включений графита. Говоря о равновесном состоянии материала, структуру железоуглеродистых сплавов определяют посредством диаграммы.

Во время изменений состава меняются некоторые параметры:

• Количество скопление углерода в эвтектике;
• Эвтектическая температура;
• Количество скопления углерода в эвтектоиде;
• Эвтектоидная температура.

Положение критических точек определяется нагревом, то есть при охлаждении точки расположены ниже.

Точно применяются для нелегированного чугуна преимущественного большинства марок материала упрощенные формулы.

Формулы:

• C = 4.3 — 0.3 (Si + P) — вхождение углерода в эвтектике;
• C = 0.8 — 0.15Si – вхождение углерода в эвтектоиде.

Ниже интересно разобраться с тем, какие основные свойства материала есть, их характерными параметрами и другой полезной информацией.

Белый вариант металла обладает достаточной хрупкостью, твердостью, по причине чего недостаточно качественно поддается отливке. Вдобавок ко всему такой вид тяжело обрабатывается различными видами инструментов.

Если говорить о машиностроительной отрасли, то для нее оптимальным образом подходит серый тип сырья.

Опираясь на химическую составляющую рассматриваемого промышленного сырья, металл может подразделяться на легированный, ферросплавный, специальный, ковкий, а также высокопрочный.

Ковкий материал производится путем термообработки из белого сырья. Получил свое имя благодаря повышенной степени пластичности, вязкости.

Стоит также отметить, что ковкий металл имеет высокую прочность при растяжении, к тому же готов похвастать высокой степенью сопротивления.

Высокопрочный материал производится за счет введения специализированных добавок в серый вариант металла. Применяется для производства ответственных изделий, тем самым отлично справляясь с ролью альтернативы стали. Маркировка рассматриваемого сырья производится буквами и числами.

Физические и механические параметры

Удельный вес материала может меняться достаточно существенно в зависимости от числа связанного углерода, присутствия пористости.

Полезно знать, что удельная масса жидких металлов при температуре плавления приравнивается 70,0±0,1 грамма на сантиметр квадратный. Данный показатель снижается по мере увеличения состава примесей.

Обратимый коэффициент линейного расширения и структура чугунов – зависимые друг от друга понятия.

Тепловые параметры

Тепловая емкость данного материала заданной структуры может быть определена, опираясь на правило смещения. Теплоемкость материала при достижении температурного предела, превышающего фазовые превращения, до температуры плавления, может приниматься как 0,18 кал/Го С (превышающих температурную отметку плавления металла -0,23+/—0,03 кал/Го С.

Объемная теплоемкость, что равняется произведению удельной теплоемкости на удельную массу, может приниматься для укрупненных расчетов. Теплопроводность не определяется по правилу смешения.

Теплопроводность структурных составляющих материала, по мере возрастания уровня дисперсности, уменьшается.

Стоит обратить внимание, что типичная величина теплопроводности чугунов зависит от влияния некоторых параметров.

Механические параметры

Предел прочности материала во время растяжения может эффективно оцениваться по структуре материала соответственно определенным данным.

Так, прочность структурных составляющих увеличивается постепенно, по мере возрастания уровня дисперсности.

Величина, форма, количество, а также распределение графитных включений оказывают существенное влияние на предел прочности, при этом влияние это имеет большие пределы, нежели структура основной металлической массы.

Самое заметное уменьшение предела прочности наблюдается во время расположения графитных включений в качестве цепочки, что прерывает сплошность металлической массы. Наиболее значимая прочность получается в случае со сфероидальной формой графита. Данный показатель достигается за счет отсутствия тепловой обработки.

Технологическая составляющая

Жидкотекучие свойства тесно сопряжены со свойствами материал, а также формой.

Таким образом, рассматриваемый параметр определяется различными способами, однако, наиболее часто жидкотекучесть определяется длиной L заполненной пробы, и увеличивается по мере уменьшения вязкости, увеличении степени перегревания, уменьшении интервала затвердевания. Зависит жидкотекучесть от скрытой теплоты плавления, теплоемкости.

Химические параметры

Свойства сопротивления материала под названием чугун зависимы от внешней среды и структуры чугунов.

По убывающему электродному потенциалу составляющие структуры материала могут располагаться в последовательности следующего образца: графит – цементит, фосфидная эвтектика – феррит.

Стоит отметить, что разность потенциалов, наблюдаемая между ферритом, а также графитом, колеблется около 0,56 в. Сопротивление коррозии снижается по уровню увеличения дисперсности структурных составляющих.

Свойства рассматриваемого материала позволяют ему использоваться во многих отраслях современной промышленности, по причине чего объясняется его популярность и широкое распространение.

Источник:

Температура расплавления, свойства и самостоятельная плавка чугуна

Чугун – сплав на основе железа и углерода. От стали он отличается содержанием последнего – 2% и больше. В отдельных марках содержится до 4% углерода. Чаще всего используют сплав с содержанием углерода 3-3,5%.

Это литейный материал. Для такого металла на первый план выходят такие его свойства, как температура плавления, а также его тепловые свойства – теплоемкость, теплопроводность, температуропроводность. Как разные химические элементы влияют на качество этого металла и можно ли его плавить самостоятельно – об этом пойдет речь в статье.

Тепловые свойства чугуна

Важная категория физических свойств материала – его тепловые свойства. К ним относятся:

• Теплоемкость.
• Теплопроводность.
• Температуропроводность.
• Коэффициент теплового расширения.

Все они зависят от состава, структуры, а значит от марки сплава. Кроме того, эти свойства металла меняются с изменением его температуры (так называемое правило смещения). Характер этой зависимости и основные физические свойства приведены в таблице.

Теплоемкость (с)

Это количество теплоты, которое необходимо подвести к телу, чтобы его температура возросла на один Кельвин (далее все величины переведены в градус Цельсия).

Теплоемкость зависит от состава сплава, а также от температуры (Т). Чем выше Т, тем больше теплоемкость. Если температура выше Т фазовых превращений, но ниже Т плавления, то

с = 0,18 кал/(Г˚С)

при Т, превышающей температуру плавления:

с = 0,23±0,03 кал/(Г˚С)

Объемная теплоемкость (отношение теплоемкости к объему вещества) для приблизительных расчетов принята:

• чугун в твердом состоянии с’ = 1 кал/(см3Г˚С)
• расплавленный с’ = 1,5 кал/(см3Г˚С)

Теплопроводность (λ)

Это количественная характеристика способности тела проводить тепло. Для теплопроводности не действует правило смещения. Температура материала повышается – λ понижается. Она зависит от состава сплава, а в большей степени от его структуры. Вещества, увеличивающие степень графитизации, повышают теплопроводность, а вещества, препятствующие образованию графита, понижают.

Кстати, теплопроводность расплавленного чугуна намного меньше, чем твердого. Но из-за конвекции она больше, чем λ твердого металла.

Теплопроводность для разных марок лежит в пределах:

λ =0,08…0,13 кал/ (см·сек оС)

Теплопроводность и другие теплофизические свойства в зависимости от температуры сплава приведены в конце раздела.

Температуропроводность (α)

Это физическая величина, показывающая, насколько быстро меняется температура тела. Равна отношению теплопроводности к объёмной теплоёмкости.

Для приблизительных расчетов можно принять:

α=λ для твердого металла (равна его теплопроводности);

α=0,03 см2/сек для жидкого.

Температура плавления

У этого сплава хорошие литейные свойства. Лучше, чем у стали. Жидкотекучесть высокая, а усадка мала (около 1%). Его можно расплавить при температуре на 300-400 градусов ниже чем у стали. Температура плавления чугуна:

Влияние химических элементов на свойства металла

Какой он бывает

Структура чугуна – это железная основа с графитовыми (углеродными) вкраплениями. Этот материал различают не по составу, а по форме углерода в нем:

• Белый чугун (БЧ). Содержит карбид (цементит) – это форма углерода, такая же, как в стали. Имеет на сломе беловатый цвет. Очень твердый и хрупкий. В чистом виде почти не используется.
• Серый чугун (СЧ). Содержит углерод в форме пластинчатого графита. Такие включения плохо влияют на качество материала. Для изменения формы зерен графита существуют специальные методы плавки и дальнейшей обработки. Графит в СЧ может быть и в форме волокон («червеобразная» форма) – так называемый вермикулярный графит (от латинского слова vermiculus – червь, как вермишель).
• Высокопрочный. Шаровидная форма графитовых зерен. Получают введением в сплав магния.
• Ковкий чугун. Для получения отжигают БЧ. Графитные зерна в виде хлопьев.

В итоге главное отличие его (кроме белого) от стали — наличие структуре графита. А разная форма графита определяет свойства разных марок.

Условно графитные зерна – это пустоты, трещины, а чугун – это сталь, испещренная микроскопическими трещинами.

Соответственно, чем больше пустот, тем хуже качество металла. Имеет значение также форма и взаиморасположение включений.

Однако нельзя принимать графитные зерна как исключительно вредные. Из-за присутствия графита данный материал легче обрабатывать резанием, стружка становится более ломкой. Кроме того, он хорошо противостоит трению также из-за графита.

Примеси

Конечно, этот металл содержит не только железо и углерод. В него входят те же элементы, что и в стальные сплавы – фосфор, марганец, сера, кремний и другие. Эти добавки косвенно влияют на особенности сплава – они изменяют ход графитизации. Именно от этого параметра и зависят качества материала.

• Фосфор. Мало влияет на образование графита. Но все равно он нужен, потому как улучшает жидкотекучесть. Твердые включения фосфора обеспечивают высокую твердость и износостойкость металла.
• Марганец. Мешает графитизации, как бы «отбеливает» чугун.
• Сера. Как и кремний, способствует отбеливанию металла, да еще и ухудшает жидкотекучесть. Количество серы в сплаве ограничивают. Для мелкого литья не больше 0,08%, для деталей больше – до 0,1-0,12%.
• Кремний. Сильно влияет на свойства материала, увеличивая графитизацию. В металле может содержаться от 0,3-0,5 до 3-5% кремния. Варьируя количество кремния, получают сплав с разными свойствами – от белого до высокопрочного.
• Магний. Помогает получить материал с шаровидной формой зерен. Градус кипения магния низкий (1107˚С). По этой и другим причинам ввод магния в сплав затруднителен. Чтобы избежать его кипения, выплавку материала ведут с применением различных способов ввода магния.

Кроме обычных примесей, чугун может содержать и другие вещества. Это так называемый легированный материал. Хром, молибден, ванадий мешают процессу образования графита. Медь, никель и большинство других веществ, графитизации способствуют.

Технология самостоятельной плавки

Непромышленное выплавление чугуна – процесс очень трудоемкий. Выплавить своими руками отливки заводского качества в кустарных условиях невозможно.

Дома выплавлять этот металл нельзя. Нужно отдельное вентилируемое помещение – гараж, например. Плавку ведут в печах. В промышленности используют доменные печи, вагранки и индукционные печи.

Доменная печь – промышленный агрегат, способный расплавлять металл в огромных масштабах. В ней можно переплавлять железорудное сырье. После запуска она работает без перерыва до 5-6, а то и до 10 лет.

Затем ее останавливают, проводят обслуживание и снова запускают. Расплавление металла проходит в присутствии газов для улучшения качества материала. Для малого и среднего производства такие печи не подходят.

Топливо – кокс.

Вагранка – печь шахтного типа, как и доменная. От последней она отличается тем, что в ней не поддерживается специальный состав газов. В ней плавят не руду, а железный лом. Она больше подходит для малого производства.

Индукционная печь – современный тип оборудования. Процессом плавки в такой печи можно управлять, регулировать температуру, время нагрева и состав шихты.

Плавку ведут в тиглях из огнеупорной глины или кирпича. Стальные не подходят, хотя сталь начинает плавиться при температуре большей, чем чугун. Обязателен флюс – вещество, способствующее образованию легкоплавкого шлака.

Например, известняк (CaCO3), плавиковый шпат (CaF2). Для получения серого, а не белого чугуна в шихту добавляют ферросилиций (сплав железа с кремнием). Он улучшает образования зерен графита.

После расплавления металл выливают в песчаную или металлическую форму.

Литье металла – работа взрыво- и пожароопасная. Кроме того, необходимо обладать определенными знаниями в области металлургии. Для организации производства нужно будет оформить документацию, пройти проверки, получить разрешение и лицензию на работу.

Источник: