Как определить температуру нагрева чугуна

Термообработка чугуна

Под термином сталь понимается такой сплав железа с углеродом, в котором содержится до 1,75% С. Сплавы с более высоким содержанием углерода называются чугунами. В зависимости от структуры чугуны подразделяются на две основные группы, а именно — серые чугуны, застывшие в графитной системе, и белые чугуны, застывшие в карбидной системе.

Структура серого чугуна состоит из феррита, феррита с перлитом или перлита с графитом. При одинаковом содержании углерода образованию графита способствуют большее содержание кремния и медленное охлаждение. Никель благоприятствует образованию графита и противодействует влиянию скорости охлаждения. Серый чугун хорошо обрабатывается, достаточно вязок, имеет твердость НВ 160—230 и обладает хорошими антифрикционными свойствами. Он пригоден для изготовления деталей машин — втулок, цилиндров, зубчатых колес, арматуры и т. д.

Структура белого чугуна состоит из перлита и ледебурита. При одинаковом содержании углерода образование такой структуры стимулируется, главным образом, наличием марганца и хрома, содержание кремния — незначительно. Образованию белого чугуна способствует также быстрое охлаждение. Белый чугун очень тверд (НВ

400), хрупок и трудно поддается обработке. Применяется для изготовления цилиндров, шаров шаровых мельниц, сопел пескоструйных аппаратов и других деталей, от которых требуется большая износостойкость, но главным образом служит исходным материалом для переработки на ковкий чугун.

Термическая обработка серого чугуна

Это прежде всего отжиг для снятия напряжений, возникших в отливке вследствие неравномерного остывания. Эти напряжения можно устранить (так же, как и в стали) медленным нагревом до 450—550° С. В зависимости от величины отливки и толщины ее стенок эта температура поддерживается в течение от 1 до 5 ч, после чего следует медленное охлаждение. При таком отжиге никаких структурных изменений не происходит. Можно вместо отжига (особенно при крупных отливках) оставить отливку на длительный срок, вплоть до нескольких месяцев, «вылеживаться» для старения. Метод применим для станин, стоек, корпусных деталей тяжелых и точных металлообрабатывающих станков.

Полный (смягчающий) отжиг применяется, когда необходимо устранить твердость отбеленных участков (углов или граней) на отливке, которая должна пройти механическую обработку, (разумеется, что путем подбора надлежащего химического состава шихты, режима плавки и всей литейной техники необходимо предупреждать образование таких отбеленных участков). Если они все же образовались, то такой чугун можно смягчить медленным и осторожным нагревом до температуры 800—900° С. После выдержки в течение 2—6 ч (в зависимости от толщины стенок отливки и величины цементитных участков) отливку оставляют в печи для медленного остывания. При этом следует отливки, имеющие чистую поверхность, предохранять от обгорания, так как образующийся слой окалины трудно удалить как травлением, так и механическим способом (пескоструйной обработкой).

Термическое улучшение обычного чугуна почти не применяется, но часто термически улучшают легированные чугуны, особенно никелевые и хромоникелевые. Термическое улучшение состоит в закалке и отпуске. Отливку медленно нагревают до закалочной температуры 800—900° С; она должна быть тем ниже, чем выше содержание никеля. Скорость нагрева сообразуется с толщиной отливки (около 1 ч на каждые 25 мм толщины), прогрев до требуемой температуры длится около получаса. После закалки в масле производится отпуск, температура которого зависит от того, требуется ли большая твердость или вязкость, и лежит в границах между 250 и 650° С. При нагреве до температуры свыше 300° С уменьшается твердость, но увеличивается прочность при изгибе.

Термически улучшенным чугуном часто заменяют сталь. Его успешно применяют также для изготовления крупных штампов.

Термическая обработка белого чугуна

Термическая обработка белого чугуна заключается в отжиге (называемом иногда томлением).

В зависимости от применяемого процесса получают ковкий чугун с белой (перлитный) или с черной сердцевиной (ферритный). Исходным материалом в том и другом случае служит чугун с химическим составом: 2,3 — 2,5% С; 0,5 — 1,2% Si; 0,5% Мп.

Ковкий чугун с белой сердцевиной получается следующим образом.

Отливки, предназначенные для отжига, загружают в чугунные горшки, а свободное пространство между ними заполняют мелко размолотой, содержащей кислород, железной рудой. Нагревают отливки быстро до температуры 900 — 1000° С, при этой температуре их выдерживают в течение 15—24 ч, в зависимости от толщины, после чего медленно охлаждают (со скоростью около 10°С/в час) до температуры 650° С. Дальнейшее охлаждение может протекать быстрее. В зависимости от величины печи весь процесс длится от 3 до б дней.

Читайте также:  Что такое сталь 2пс

При отжиге белого чугуна происходит не только распад цементита, но и обезуглероживание поверхности на большую глубину, так что на поверхности образуется один лишь феррит, а в сердцевине — перлит и углерод отжига. Сердцевина также сильно обезуглерожена. Излом такого чугуна — крупнозернистый, блестящий; чугун довольно вязок.

Процесс получения ковкого чугуна с черной сердцевиной аналогичен описанному, но отливки отжигают в нейтральной среде (в песке, а не в руде); поэтому поверхность обезуглероживается незначительно. В изломе эти отливки имеют черный цвет, обусловленный тонко диспергированным углеродом отжига. Охлаждение до температуры 650°С должно быть еще более медленным (около 3°С в час), чтобы не образовался перлит. Ковкий чугун с черной сердцевиной хорошо поддается обработке и его можно изгибать даже в холодном состоянии.

Особым видом ковкого чугуна являются подшипниковые чугуны с химическим составом: около 3,5% С; 0,5% Мп; 1,6% Si. Вкладыш для подшипника, отлитый из этого чугуна в кокиль, отжигают при температуре 860—900° С. Тонко диспергированный углерод (графит) придает этому чугуну хорошие антифрикционные свойства. В некоторых случаях- этот чугун заменяет подшипниковые бронзы.

Сильно обезуглероженные поверхности очень мелких отливок из перлитного ковкого чугуна можно снова науглеродить (цементовать) и закалить. Однако этот способ применяется лишь для самых дешевых изделий.

Чугун можно также азотировать. Пример химического состава чугуна, пригодного для азотирования: 2,4—2,8% С; 2,4—2,8% Si; 0,5— 0,7% Мп; 0,6—1% А1; 1,2—1,8% Сг, или 0,2—0,6% Мо, или 0,15% V. Как и в случае стали, для азотирования лучше всего подходит чугун с возможно мелкозернистой структурой. Сначала чугун должен быть отлит с получением тонкой структуры, а затем термически улучшен. Улучшение производится нагреванием до 950° С и охлаждением на воздухе; затем отливки отпускают на сорбитную структуру при 780— 800° С. После такой термической обработки чугун имеет твердость НВ 300—320. Процесс азотирования протекает так же, как при азотировании стали, только нарастание слоя происходит здесь медленнее.

Термическая обработка высокопрочного чугуна (с шаровидным графитом в структуре)

Высокопрочный чугун содержит свыше 1,7% С и перед отливкой модифицируется магнием для того, чтобы образовавшийся графит получил шаровидную, а не пластинчатую форму. В результате отжига при температуре немного ниже 738° С получается распад карбида из перлита и выделившийся углерод осаждается тонким слоем на зернах графита. Основную массу образует здесь чистое железо, благодаря чему значительно увеличиваются тягучесть и вязкость при одновременном снижении прочности. Отожженный высокопрочный чугун похож на ковкий чугун с черной сердцевиной. В перлитном состоянии его можно закаливать или улучшать.

Источник

Температура плавления чугуна

Чугун представляет собой сплав железа, в котором концентрация углерода составляет более 2%. Кроме того, здесь могут присутствовать различные вещества в виде серы, фосфора, марганца и других добавок. Именно поэтому материал делится на множество видов, которые определяют температуру плавления и особенности нагревания. Наиболее известной маркой на сегодняшний день является литейный чугун, который от других разновидностей отличается не только текстурой и назначением, но и температурой плавления.

От чего зависит и на что влияет?

Температура плавления чугуна зависит не только от его характеристик и свойств, но и от примесей и различных химических элементов. Среди основных добавок можно отметить следующие.

Магний. Он дает возможность создавать шаровидные зёрна в материале, что способствует увеличению прочностных характеристик и твердости заготовки. Именно поэтому чугун с высокой концентрацией магния плавится намного дольше, и для этого необходимы высокие температуры.

Марганец, который способствует замедлению графитизации. Это также увеличивает стойкость материала к воздействию огня, что приводит к необходимости создавать высокие температуры для плавления чугуна.

Фосфор. При добавлении большого количества фосфора в сплав удаётся в значительной степени улучшить стойкость к износу и прочность материала, благодаря чему расплавить его не так уж и легко.

Показатели для разных видов

В зависимости от того, какой именно чугун используется, может меняться его температура плавления. Вне зависимости от разновидности, этот материал может похвастаться своими замечательными литейными свойствами, а также отличной жидкотекучестью. Именно это выделяет этот материал на фоне стали и других подобных металлов, существенно упрощая процесс его обработки плавления. Одним из наиболее популярных на сегодняшний день является именно литейный чугун, температура плавления которого составляет около 1000 градусов. В большинстве случаев сварка производится при помощи флюса, который может использоваться в виде обычной пасты.

Намного выше температура плавления чугуна, в котором есть частицы графита. Наличие подобных компонентов усиливает стойкость материала к высоким температурам, поэтому для плавления понадобится не менее чем 1500 градусов.

Отдельного внимания также заслуживает полусинтетический чугун, который может плавиться только в результате плавления шихты. Диапазон температуры также составляет около 1400-1500 градусов, а сам процесс позволяет создавать шлаковые покровы и плавка.

Читайте также:  Хром широко используется при выплавке стали как раскислитель

Белый чугун плавится намного легче, так как отличается особой формой углерода, представленной в виде карбида. Это делает материал довольно хрупким и легким в обработке, поэтому его практически не используют в промышленности без каких-либо примесей.

Серый чугун более сложен в обработке, так как он насыщается углеродом, способствующим усилению прочностных характеристик материала. А наиболее сложным в плавлении является ковкий чугун, который может похвастаться наличием графитовых зерен. В результате получается высокопрочный материал, для плавления которого необходима температура в 2000 градусов и более.

Сравнение с температурой плавления других материалов

Такие материалы, как алюминий и медь, плавятся при более низких температурах, чем чугун, а вот со сталью дела обстоят немного иначе. Сталь представляет собой более прочный и стойкий к высоким температурам материал, поэтому и условия для его плавления совсем другие. Если для чугуна достаточно температуры в 1000 градусов, то для стали этот показатель увеличивается до 2500 градусов. Кроме того, на рынке можно найти разновидности материала, который включает в себя множество добавок для усиления прочностных характеристик стали, что приводит к необходимости создавать температурные режимы в 3000 градусов и выше.

Что касается алюминия и меди, то для их плавления достаточно 800 градусов, что стало возможным благодаря их способности быстро окисляться и минимальным прочностным характеристикам.

​​​​Таким образом, чугун в основном плавится при температурах выше 1000 градусов, а точно температурный режим подбирается в зависимости от разновидности этого металла, наличия добавок и условий эксплуатации.

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/см 3 *ºС, для жидкого – 1,5 кал/см 3 *ºС.

Удельная теплоемкость чугуна и других металлов в виде таблицы

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 см 2* /сек.

О том, какую чугуны имеют температуру плавления, читайте ниже.

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.

Температура плавления чугуна и других металлов

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.

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

О некоторых физических свойствах чугуна поведает видео ниже:

Объем

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.

Читайте также:  Лом золота это сколько грамм

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/см 3 . 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/см 2 . 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.

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.

Влияние примесей на характеристики металла

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.

В данном видео будет приведено сравнение свойств чугуна и стали:

Источник

Поделиться с друзьями
Металл и камни