Виды чугунных отливок

Виды чугунных отливок

В этой главе будут обсуждаться различные типы чугунного литья.

Литье из серого чугуна

Характерной чертой серого чугуна является графичная микроструктура, которая может вызывать трещины в материале и иметь серый вид. Это наиболее часто используемый тип чугуна, а также часто используемый литой материал в зависимости от веса. Большинство серых чугунов имеют химическое разложение от 2,5 до 4 процентов углерода, от 1 до 3 процентов силикона, а остальное представляет собой состав железа.

Этот тип чугуна имеет меньшую прочность на разрыв и меньшую устойчивость к ударам по сравнению со сталью. Ее прочность на сжатие сравнима с низко- и среднеуглеродистой сталью.

Все эти механические свойства контролируются формой и размером чешуек графита, которые присутствуют в микроструктуре серого чугуна.

Литье из белого чугуна

Этот тип железа имеет изломанные поверхности, которые имеют белый цвет из-за присутствия осадка карбида железа, называемого цементитом. Углерод, содержащийся в белом чугуне, выделяется из расплава в виде стабильной фазы цементита, а не графита. Это достигается за счет более низкого содержания кремния в качестве графитирующего агента и более высокой скорости охлаждения. После этого осаждения цементит образуется в виде крупных частиц.

При осаждении карбида железа осадок вытягивает углерод из исходного расплава, перемещая смесь в сторону более близкой к эвтектике. Оставшаяся фаза — это понижение уровня железа до углеродистого аустенита, который при охлаждении превращается в мартенсит.

Содержащиеся в них эвтектические карбиды слишком велики, чтобы обеспечить преимущества дисперсионного твердения. В некоторых сталях могут присутствовать гораздо более мелкие выделения цементита, которые могут вызвать деформацию пластика, препятствуя движению дислокаций через матрицу чистого феррита железа. Их преимущество состоит в том, что они повышают объемную твердость чугуна просто за счет собственной твердости и объемной доли. Это приводит к тому, что объемную твердость можно аппроксимировать правилом смесей.

В любом случае эта твердость достигается за счет прочности. Белый чугун в целом можно отнести к цементу, поскольку карбид составляет большую часть материала. Белый чугун слишком хрупок, чтобы его можно было использовать в конструктивных элементах, но из-за его хорошей твердости, устойчивости к истиранию и низкой стоимости его можно использовать в качестве изнашиваемой поверхности шламовых насосов.

Трудно охладить толстые отливки с большей скоростью, которой достаточно для затвердевания расплава в виде белого чугуна, однако можно использовать быстрое охлаждение, чтобы затвердеть адское количество белого чугуна, и после этого оставшаяся его часть будет охлаждать медленнее, образуя сердечник из серого чугуна. Полученная отливка называется охлажденной отливкой, и ее преимущества заключаются в том, что она имеет твердую поверхность, но более прочную внутреннюю часть.

Сплавы белого железа с высоким содержанием хрома позволяли отливать в песок массивную отливку рабочего колеса массой около 10 тонн. Это связано с тем, что хром снижает скорость охлаждения, необходимую для образования карбидов при большей толщине материала. Карбиды с превосходной стойкостью к истиранию также производятся из элементов хрома.

Литье из ковкого чугуна

Ковкий чугун начинается с отливки из белого чугуна, затем подвергается термообработке при температуре около 950°С в течение двух или одних суток, а затем охлаждается в течение такого же периода времени.

Углерод в карбиде железа затем превращается в графит и феррит плюс углерод в результате процесса нагрева и охлаждения. Это простой процесс, но он позволяет поверхностному натяжению превращать графит в сфероидальные частицы, а не в хлопья.

Сфероиды относительно короткие и расположены дальше друг от друга из-за низкого соотношения сторон. Они также содержат нижнее сечение, распространяющуюся трещину и фотон. В отличие от чешуек, они имеют тупые границы, что способствует уменьшению проблем концентрации напряжений, присущих серому чугуну. В целом свойства ковкого чугуна больше похожи на свойства мягкой по своей природе стали.

Литье из ковкого чугуна

Иногда называемый чугуном с шаровидным графитом, графит в этом чугуне имеет форму очень крошечных конкреций, при этом графит имеет форму слоев, которые концентричны и, таким образом, образуют конкреции. Благодаря этому свойстваковкий чугунпредставляют собой губчатую сталь, которая не имеет эффектов концентрации напряжений, создаваемых чешуйками графита.

Содержащаяся концентрация углерода составляет от 3 до 4 процентов, а концентрация кремния - от 1,8 до 2,8 процента. Небольшие количества от 0,02 до 0,1 процента магния и всего от 0,02 до 0,04 процента церия при добавлении в эти сплавы замедляют скорость роста осадков графита за счет сцепления с краями графитовых дорожек.

Углерод может отделиться в виде сфероидальных частиц по мере затвердевания материала благодаря тщательному контролю над другими элементами и правильному выбору времени в ходе процесса. Полученные частицы аналогичны ковкому чугуну, но можно отливать детали с более крупным сечением.

Легирующие элементы

Свойства чугуна изменяются и добавляются в чугун различные легирующие элементы или присадки. Рядом с углеродом находится элемент кремний, поскольку он обладает способностью вытеснять углерод из раствора. Меньший процент кремния не может полностью достичь этого, поскольку он позволяет углероду оставаться в растворе, образуя карбид железа, а также производя белый чугун.

Больший процент или концентрация кремния способна вытеснить углерод из раствора и затем образовать графит, а также произвести серый чугун. Другие неуказанные легирующие агенты включают марганец, хром, титан и затем ванадий. Они противодействуют кремнию, а также способствуют удержанию углерода и, следовательно, образованию карбидов. Никель и элементная медь имеют преимущество, поскольку они повышают прочность и обрабатываемость, но при этом не могут изменить количество образующегося углерода.

Углерод в форме графита делает железо более мягким, тем самым уменьшая эффект усадки, снижая прочность и уменьшая содержащуюся в нем плотность. Сера, когда она содержится, в основном является загрязнителем и образует сульфид железа, который предотвращает образование графита, а также увеличивает твердость.

Недостаток серы заключается в том, что она делает расплавленный чугун вязким, что приводит к дефектам. Чтобы нейтрализовать и устранить воздействие серы, в раствор добавляют марганец. Это делается потому, что при их объединении они образуют сульфид марганца вместо сульфида железа. Образующийся сульфид марганца легче расплава и имеет тенденцию всплывать из расплава и проникать в шлак.

Примерное количество марганца, необходимое для нейтрализации воздействия серы, составляет 1,7 единицы содержания серы и дополнительно добавлено 0,3 процента. Добавление большего количества марганца приводит к образованию карбида марганца, что увеличивает твердость и охлаждение, за исключением серого чугуна, где до 1 процента марганца может увеличить прочность и содержащуюся плотность. Никель является одним из наиболее распространенных легирующих элементов, поскольку он имеет тенденцию измельчать перлит и структуру графита, тем самым улучшая ударную вязкость и выравнивая разницу в твердости между толщинами сечений.

Хром добавляют в небольших количествах, чтобы уменьшить количество свободного графита и вызвать холод. Это связано с тем, что хром является мощным стабилизатором карбидов и в некоторых случаях может работать совместно с никелем. В случае хрома также можно добавить небольшое количество заменителя олова. Медь добавляется в ковш или печь в количестве от 0,5 до 2,5 процентов для достижения снижения охлаждения, очистки графита и повышения текучести. Молибден также может быть добавлен в количестве от 0,3 до 1 процента, чтобы также увеличить охлаждение, улучшить графит и улучшить перлитную структуру.

Обычно его добавляют вместе с никелем, медью и хромом для получения высокопрочного железа. Элемент титан добавляется для работы в качестве дегазатора и раскислителя, а также для повышения текучести. В чугун добавляют от 0,15 до 0,5 процента элемента ванадия, который помогает стабилизировать цементит, повысить твердость и противостоять износу и тепловым воздействиям.

Цирконий способствует образованию графита и добавляется в пропорциях примерно от 0,1 до 0,3 процента. Этот элемент также способствует раскислению и повышению текучести. В плавки ковкого железа, чтобы увеличить количество добавляемого кремния, заливают висмут в количестве от 0,002 до 0,01 процента. В белый чугун добавляется элемент бор, который способствует производству ковкого железа и уменьшает эффект огрубления элемента висмута.