2 основных вида чугуна: температура плавления материалов
Чугун относится к материалам широкого применения как в быту, так и промышленности. Впервые о нем начали говорить сотни лет назад, но в массовое использование сплав попал сравнительно недавно.
В сегодняшней статье мы разберем что из себя представляет материал вообще – его недостатки, достоинства, особенности и область применения, а также расскажем какова температура плавления чугуна и его сплавов.
Что представляет собой чугун?
Само слово имеет тюркские корни, а технология изготовления чугуна впервые была выработана на территории Китая еще в X веке. Китайцы делали из сплава чеканные монеты, но из обихода они вышли быстро, ибо бронза была куда практичнее в плане ковки.
Объемы производства сплава увеличились после 1900 года и достигли показателя в 18 миллионов тонн. В 2010 году на изготовление чугунных изделий ушло больше 930 миллиона тонн, а в 2020 значения далеко перевалили отметку в 1 300 миллионов тонн чугуна.
1) Плюсы/минусы чугуна + его отличия от стали
Чугун – это сплав железа и углерода. При чем, процентное содержание второго составляет приблизительно 2.1%.
| Некоторые вариации сплавов на основе железа с углеродом отличаются повышенными характеристиками прочности, что ставит чугун на одну ступень со сталью. | При длительном воздействии на поверхность материала воды, он начнет покрываться слоем ржавчины, которую тяжело отмыть. |
| Чугун равномерно распределяет тепло при нагревании + долго хранить температуру, что сделало материал весьма популярным у домохозяек. | Высокая стоимость чугуна по сравнению с той же сталью и алюминием. |
| Чугун –экологически чистый продукт. | Низкий показатель практичности, присущий только в отношении серой разновидности чугуна. |
| Обладает высокими показателями гигиеничности и проявляет стойкость при нахождении в щелочно-кислотной среде. | Белый чугун слишком хрупкий, потому большинство сырья идет исключительно на переплавку. |
| По мере старения чугун только повышает свое качество, а потому, изделия из оговоренного металла крайне долговечны. |
Чугун – это материал в черной металлургии, и по характеристикам он довольно близок к стали. Именно потому чугунные изделия частенько сравнивают со стальными, проводя параллели между их базовыми свойствами в чистом виде.
Отличия чугуна от стали:
- Дешевле.
- Темная расцветка поверхности.
- Проще лить, но тяжелее ковать и сваривать.
- Ниже показатель прочности.
- Легче стальных изделий.
- Большее процентное содержание углерода.
Рассматривая чугун в качестве структурного вещества, его представление – это полость из металла с включениями графита. В структуре материала преобладает 3 компонента – графит с высокой пластичностью, перлит и ледебурит. В зависимости от типа чугуна, пропорции оговоренных элементов могу в долевом отношении значительно разниться.
| Белый | Является исходным материалом для получения других типов чугунов. Углерод внутри находится в связанном виде - Fe3C. При изменении количества углерода, меняется и подгруппа белого чугуна – при 4.2% эвтектические, а от 4.2% до 6.7% заэвтектические. Свое название чугун приобрел из-за белого цвета цемента в месте разлома материала. | ★★★ |
| Серый | В основе сплава железо, углерод + кремний в количестве 1%-3.5%. К постоянным примесям относят Mn, P и S. Структура предусматривает содержание графита в пластичной форме. При изломе цвет серый. | ★★★★ |
| Ковкий | Получают путем отжига белого. Структура – хлопьеобразная. В основе феррит, но иногда перлит. Название – это производная от свойства высокой пластичности, что позволяет качественно обрабатывать материал. К физическим особенностям ковкого чугуна относят прочность и сопротивление ударам. | ★★★★★ |
| Половинчатый | Содержит углерод в двух вида – как графит и как цементит. Структура – хлопьеобразная. Материал часто используют в условиях трения сухого типа. Материалы из половинчатого чугуна обладают повышенной износоустойчивостью. | ★★★★ |
| Высокопрочный | Основа структуры – шароподобный графит, получаемый при кристаллизации. Не относится к концентраторам напряжения. Располагает высокой прочностью к сжатию, хорошими литейными свойствами, износостойкостью + хорошо поддается механической обработке. | ★★★ |
Выделяют еще и предельный чугун, но из-за его несостоятельности в качестве самостоятельного материала, среди бытовых/промышленных изделий он не встречается. Материал используется как вспомогательный компонент при переработке стали.
Маркировка чугуна:
- П1-2 – предельный 1-го и 2-го типов;
- ПЛ1-2 – передельно-литейный;
- ПФ1-3 – фосфористый передельный;
- ПВК1-3 – чугун высокой прочности передельного типа;
- СЧ – в составе чугуна пластинчатый графит;
- АЧС/АЧВ/АЧК – серый/высокопрочный/ковкий чугун с антифрикционными свойствами соответственно;
- Ч – легированный.
Шаровидный графит для отливки маркируется как ВЧ + числовые значения, которые обозначают сопротивление разрыву и относительное удлинение в процентах.
2) Характеристики, свойства и особенности структуры чугуна
По структуре чугун классифицируется на 3 типа – перлитный, ферритный и перлитно-ферритный. Графит содержится в каждом из видов, но его процентное вхождение отличается.
Различаются также и формы графита внутри сплава:
- шарообразная. Минерал становится оговоренной формы вследствие добавления магния. Характеристика полученного чугуна – высокий показатель прочности;
- лепестковая. Или как часто называют – пластичная форма. Свойство исходит из второй версии названия. Благодаря лепестковой структуре минерала, обеспечивается высокий запас пластичности, потому, форма распространена в большинстве обычных типов чугуна;
- хлопьеобразная. Форма частиц вызвана отжигом чугуна белого типа. Характерным представителем хлопьеобразного графита является ковкий чугун;
- вермикулярная. Форма преобладает у чугуна серого типа. Цель ее разработки – повышение уровня пластичности и других характеристик материала.
На качественные характеристики чугунных изделий значительно влияют и другие типы примесей. К примеру, если вещество обогащено серой – это понизит тугоплавкость чугуна, фосфор предоставляет полет для фантазии в процессе ковки, но ставит ограничения на предел прочности.
Важно: для повышения качества свойств чугуна в него часто добавляют медь, никель, хром и алюминий. Полученный тип чугуна имеет пометку «легированный».
Вкрапления минерала кремния понижает температурный режим в отношении плавления вещества, предоставляя возможность варьировать его тип – от белого до ферритного. Марганцевый порошок в составе чугуна понижает свойства материала к литью, взамен на 50%-70% увеличивается твердость итогового сплава.
| Физические | Начнем с удельного веса – от 7.1 до 7.5 грамма на сантиметр кубический в зависимости от типа материала. Действительная усадка составляет 1.1-1.8%, а поверхностное натяжение составляет 900 дин на сантиметр квадратный. Характерной особенностью чугуна является смена удельного веса при повышении/понижении долевого содержания углерода. |
| Механические | Зависят от основы в виде графита. Наибольшей прочностью отличается сплав чугуна на перлитной основе, а 1-место по пластичности берет на себя ферритный чугун. |
| Гидродинамические | Сюда относится вязкость вещества. Она варьируется в зависимости от массовой доли серы с марганцем внутри сплава. Второй момент повышения вязкости происходит при переходе материала к точке отвердевания. |
| Технологические | У чугуна высококачественные характеристики в отношении противостояния к вибрациям, износу. Литейные свойства на высоте, в том числе. |
| Химические | Электродный потенциал присущ у всех разновидностей материала, но его значение неравномерно. Максимальное у феррита, а наименьший у цементита. |
О тепловых свойствах + температуре плавления/кипения чугуна будет рассказано детальнее чуть ниже, а теперь давайте рассмотрим процесс производства чугуна и его области применения. Можно ли сплав получать в домашних условиях?
3) Производство чугуна + области его применения
Уточним сразу, что добывать чугун в домашних условиях очень сложно. Железная руда, являющаяся основным сырьевым компонентом производства, плавится в громадных доменных печах, размер которых составляет до 30 метров в высоту и до 15 по диаметру внутри.
Технология производства чугуна пошагово:
- Сортировка сырья. По размеру и химическому составу. Слишком большие куски дробят в мелкие частички, а чересчур мелкие окусковуют. Параллельно происходит обогащение – удаление пустых пород и увеличение доли железа.
- Заготовка топлива. Кокс фильтруют от пыли и мелких частиц.
- Заготовка флюса. Фильтрация от мелких частиц и загрузка топлива в печь.
- Доменное изготовление. В печь грузят кокс-агломерат-кокс. Повышение температуры происходит через вдув горячего воздуха. Руда восстанавливается при помощи окиси углерода, и постепенно перемещается вдоль доменной печи, пока не получится жидкий чугун.
Работа доменной печи непрерывна. Параллельно с производством чугуна происходит восстановление кремния, марганца и прочих примесей. Лидером в производстве чугуна считается Китай (от 600 миллионов тонн за год). На втором месте с большим отставанием Япония с объемами всего в 70 миллионов тонн. Россия добывает порядка 40 миллионов тонн ежегодно.
Где используют чугун:
- детали в машиностроении – валы, тормозные колодки и блоки двигательных систем;
- детали устройств, которые работают при низких температурах;
- компоненты в металлургийной промышленности;
- сантехнические изделия. Особым спросом пользуются ванны и компоненты отопительных систем.
Из-за хороших литейных свойств, чугун используется даже в сфере искусств – ажурные ворота, памятники архитектуры и тому подобное.
Чугун: какова температура его плавления?
Теперь поговорим о температурах, с которыми человек будет сталкиваться при плавке чугуна в его различных проявлениях. Мы уже выяснили, что производить чугун в домашних условиях из-за технологических особенностей крайне сложно, но при работе на металлургийных заводах, знать базовые свойства сплава жизненно необходимо.
1) Тепловые свойства сплава
Каждый металл меняет физические свойства при воздействии низких/высоких температур, и это помимо вкрапливаемых примесей. Для чугуна это магний, марганец, кремний, сера, фосфор и прочие. Иногда в сплав добавляют материалы легированного типа, что может в 3-5 раз увеличить/снизить свойство чугуна.
Базовые характеристики поданы на рисунке выше, а детальнее о тепловых свойствах чугуна расскажет таблица ниже. В расчет возьмем 3 базовых параметра (помимо температуры плавления) – теплоемкость, теплопроводность и температуропроводимость.
| Теплоемкость | Теплоемкость – это изменение температуры заготовки из чугуна на один Кельвин под тепловой обработкой. Свойство имеет прямую зависимость от вспомогательных компонентов сплава и применяемой температуры. Повышение t пропорционально увеличивает значение теплоемкости. У твердого чугуна – это 1 кал/см^3*Г, а у расплавленного – 1.5 кал/см^3*Г. Оговоренные значения помогают просчитать отношение теплоемкости и объемы вещества в целом. |
| Теплопроводность | Параметр дает понять, на сколько хорошо металл способен проводить тепловую энергию. Для чугуна зависимость выливается в 2 пункта – наличие дополнительных примесей в сплаве и структура металла. У твердого чугуна теплопроводность выше нежели у расплавленного. Вариативность в пределах 0.08–0.13 кал/см сек |
| Температуропроводимость | Параметр отвечает за способность материала менять температурные значения тела. В процессе расчетов во внимание берется диапазон теплопроводности в различных марках чугуна. Для жидкого чугуна это 0.03 см^2/сек. В дополнение к расчетам идет показатель теплоемкости. |
Изредка применяется и коэффициент теплового расширения, меняющейся от типа чугуна, а именно, процентного содержания углерода.
Детальное описание особенностей чугуна и области его применения:
2) Температура плавления чугуна серого и белого
Чугун обходит сталь в отношении литейных свойств – усадка составляет менее 1% + низкий показатель жидкотекучести. Такие показатели дают возможность заливать сплав в формы при температуре на 350-400 градусов Цельсия ниже, нежели у плавильной стали.
Температура плавления чугуна:
- серого – 1250 градусов;
- белого – 1350 градусов.
Температура плавления чугуна для заливки по формам составляет 1 400 и 1 450 градусов Цельсия со знаком «+» соответственно. При желании производить материал дома, будьте готовы выделить полноценное хозяйственное помещение с площадью от 20 квадратов. Доменную печь реально заменить индукционной. Руду плавят в тиглях, а при работе используется флюс. Готовый сплав переливают в формы из песка и металла группы тугоплавких.
