Руководство по типам литого железа свойства и обработка

От важнейших компонентов автомобильного двигателя до повседневной кухонной посуды и муниципальной инфраструктуры под нашими ногами — крышек люков — эти, казалось бы, не связанные друг с другом предметы могут иметь общий материал: чугун. Но насколько хорошо вы действительно разбираетесь в этом универсальном материале? Чугун – это не одно вещество, а целое семейство сплавов, каждый из которых имеет свои особенности и области применения. В этой статье рассматриваются разновидности чугуна, их уникальные свойства и важные аспекты обработки этого важного конструкционного материала.

Чугун — это железо-углеродистый сплав, основным компонентом которого является железо (Fe) и содержание углерода в диапазоне от 2,1% до 6,7%. По сравнению с другими металлическими материалами чугун обычно имеет более высокий удельный вес (около 7), что делает его тяжелее и тверже. Повышенное содержание углерода снижает его температуру плавления, что позволяет относительно легко плавить и отливать - явление, объясняемое «снижением температуры замерзания», когда добавление веществ к чистому материалу снижает температуру его перехода из жидкого состояния в твердое.

Чугун, ценимый за свою высокую прочность, износостойкость и обрабатываемость, находит применение в различных отраслях, включая механические компоненты, промышленные изделия, водопроводные системы и городскую инфраструктуру.

Железо высокой чистоты (с минимальным содержанием углерода) оказывается слишком мягким и склонным к окислению для практического использования. Для повышения прочности производители обычно добавляют углерод и другие элементы, превращая материал в чугун или сталь.

Эти три черных материала различаются в первую очередь содержанием углерода:

• Чистое железо:Ниже 0,02% углерода
• Сталь:от 0,02% до 2,1% углерода
• Чугун:От 2,1% до 6,7% углерода

Сталь далее делится на углеродистую сталь (содержащую только железо плюс регулируемые количества углерода, кремния, марганца, серы и фосфора) и легированную сталь (содержащую дополнительные металлические элементы).

Материалы, уровень содержания углерода в которых приближается к чистому железу, демонстрируют меньшую твердость и износостойкость, но приобретают ударную вязкость и более высокие температуры плавления. И наоборот, более высокое содержание углерода увеличивает твердость и износостойкость, одновременно снижая ударную вязкость и температуру плавления, что приводит к получению более хрупких материалов.

«Отливки» относятся к изделиям, полученным путем заливки расплавленного материала в формы. Таким образом, чугун представляет собой материал, а отливки — изделия из него. Хотя чугун часто используется в литейном производстве, не все отливки получают из него. Например, литая сталь получается в результате нагрева стали до 1500°C перед литьем в форму. Алюминий, медь и магний также служат распространенными литейными материалами.

Когда чугун содержит значительное количество углерода и кремния, при медленном охлаждении углерод кристаллизуется в виде графита. Эта разновидность, в которой углерод проявляется в виде чешуек графита, образующих серые поверхности изломов, получила название «серый чугун» или «чугун с чешуйчатым графитом». Обычно его называют просто «чугун», а его обозначение «FC» (от «феррум» и «литье») предшествует трехзначному числу, обозначающему прочность на разрыв (например, FC150 означает ≥150 Н/мм²).

Хотя серому чугуну не хватает прочности и ударной вязкости, он обладает превосходными литейными, обрабатываемыми свойствами, износостойкостью, коррозионной стойкостью и гашением вибрации — качества, идеально подходящие для корпусов машин, компонентов и блоков двигателей.

При более низком содержании углерода/кремния или при быстром охлаждении углерод образует цементит (Fe3C) вместо графита, образуя белые поверхности излома. Исключительно твердый и износостойкий, но хрупкий и труднообрабатываемый белый чугун служит для применения в условиях высокой долговечности.

Этот редко используемый промышленный материал, демонстрирующий свойства между серыми и белыми вариантами, имеет пятнистую поверхность излома и плохую обрабатываемость.

Добавление магния (Mg) или церия (Ce) создает сферические графитовые структуры (обозначаемые FCD), значительно повышая прочность — в несколько раз большую, чем у серого чугуна — за счет снижения концентрации напряжений. Этот «высококачественный чугун» обладает превосходной механической прочностью, износостойкостью/термостойкостью и термообработкой, хотя добавки магния могут вызвать усадку и образование микропор. Его твердость и пластичность усложняют обработку.

Область применения включает автомобильные детали, крышки люков и напорные трубопроводы, требующие высокой прочности.

Обладая промежуточными по свойствам серыми и пластичными разновидностями, CGI содержит вермикулярные (червеобразные) графитовые структуры. Оно сочетает в себе прочность чугуна с превосходной обрабатываемостью, литейностью, теплопроводностью и гашением вибраций — идеально подходит для гидравлических клапанов и блоков цилиндров.

Термическая обработка белого чугуна позволяет получить этот пластичный вариант, при котором при отжиге цементит разлагается на графит. В отличие от серых/пластичных типов, образующих графит во время литья, в ковком чугуне он образуется после литья. Он сохраняет литейные качества, преодолевая при этом хрупкость и низкое удлинение.

Существуют три подтипа, основанные на термической обработке:

• Ковкий чугун Белого Сердца:Обезуглерожен до сталеподобных свойств с белыми изломами; отличная литейность, прочность и свариваемость.
• Ковкий чугун «Черное сердце»:Образует ферритовую и графитовую структуру, обеспечивающую превосходную мягкость и удлинение; назван в честь черных переломов.
• Перлитный ковкий чугун:Более короткая термообработка создает перлит (чередующиеся слои α-железа и цементита) для исключительной ударной вязкости и прочности на разрыв.

В эту категорию входят чугуны, обогащенные никелем (Ni), молибденом (Mo) или аналогичными элементами для улучшения механических свойств. Не имея строгих спецификаций из-за разнообразного применения, легированный чугун используется в компонентах, подвергающихся высоким нагрузкам, таких как распределительные валы, тормозные барабаны и поршневые кольца.

Повышенное содержание углерода в чугуне снижает температуру плавления, облегчая операции литья. Морфология графита (форма, размер, распределение) влияет на свойства, позволяя модифицировать материал посредством термообработки или легирования, что является значительным преимуществом.

Однако высокое содержание углерода обычно снижает ударную вязкость и ударную вязкость, что потенциально ограничивает методы обработки.

Чугун, как правило, демонстрирующий хорошую обрабатываемость, обеспечивает более низкое сопротивление резанию, меньшее тепловыделение и более эффективное удаление стружки по сравнению со сталью/нержавеющей сталью. Однако правильный выбор инструмента по-прежнему имеет решающее значение.

Графитовые структуры фрагментируют стружку, одновременно обеспечивая смазку и снижая сопротивление резанию. Однако присущая чугуну твердость требует использования пластин с отрицательным передним углом и небольшими задними углами для предотвращения сколов кромок. Инструментальные материалы высокой твердости оказываются необходимыми.

Превосходный выброс стружки и минимальное выделение тепла обычно позволяют выполнять сухую обработку. Мокрая обработка может контролировать пыль, но существует риск засорения канавок инструмента влажной стружкой. Регулируйте условия резания в зависимости от типа материала: серый чугун легко обрабатывается, твердость ковкого чугуна способствует образованию наростов на кромках, а чрезвычайная твердость белого чугуна затрудняет обработку.

По сравнению со сталью, высокое содержание углерода в чугуне усложняет сварку, вызывая хрупкость (из-за быстрого образования цементита, вызванного охлаждением) и пористость (из-за сгорания графита). Успешная сварка требует предварительного нагрева, специальных электродов и модификации технологии.

Несмотря на ощущение хрупкости, чугун обеспечивает исключительную твердость, износостойкость и гашение вибраций. Хотя в целом они поддаются механической обработке, их различные типы требуют соответствующих инструментов и условий. Все разновидности имеют общие характеристики твердости и хрупкости, что требует принятия мер против сколов инструмента/заготовок и деградации оборудования, связанной с пылью. Успешная обработка чугуна требует понимания свойств каждого типа и соответствующего выбора подходящих инструментов.