Железоуглеродистые сплавы (чугуны)

Железоуглеродистыми называют такие сплавы, в которых основными компонентами являются железо и углерод. В зависимости от содержания углерода железоуглеродистые сплавы подразделяются на две группы - чугуны и стали. Чугуном называется железоуглеродистый сплав, содержащий более 2% углерода, а сталью - сплав, содержащий до 2% углерода. Чугун. Обычно применяют чугуны, содержащие до 5% углерода. Исходным материалом для получения чугуна служат железная руда, топливо и флюсы. Железными рудами называют природные ископаемые, в состав которых входят соединения железа и пустая порода: глинозем, кремнезем, соединения кальция и др. В качестве руд для выплавки чугуна используют железняк - магнитный, красный и бурый. Топливом служат каменноугольный кокс и антрацит. Для удаления пустой породы из руды применяют флюсы - вещества, образующие с ней легкоплавкие соединения. В качестве флюсов используют кремнезем или известняк. Чугун выплавляют в доменных печах. Доменная печь вместе с вспомогательными устройствами представляет собой сложнейшее сооружение, в котором происходят химические процессы между загруженной шихтой и потоком газов, образующихся в результате горения топлива. Сущность доменной плавки состоит в восстановлении железа из его окислов, имеющихся в руде, в науглероживании железа до получения чугуна и превращении пустой породы в шлак. Углерод в чугуне может содержаться в виде механической примеси (свободного графита) и химического соединения с железом. Чугуны, содержащие свободный графит, имеют в изломе серый или темно-серый цвет и крупнозернистое строение. Такие чугуны называются серыми, или литейными. Они применяются для получения отливок, так как хорошо заполняют формы и легко обрабатываются режущими инструментами. Серые чугуны обозначают буквами СЧ и цифрами, характеризующими механические свойства. Например, марка СЧ 12-28 обозначает серый чугун, обладающий пределом прочности при растяжении 12 кГ/мм² и пределом прочности при изгибе 28 кГ/мм². Кроме углерода, в чугуне содержатся кремний, марганец, сера и фосфор. При низком содержании кремния и большом количестве марганца, а также при большой скорости охлаждения графит при затвердевании чугуна не выделяется (углерод находится в химическом соединении с железом). После затвердевания такой чугун; имеет в изломе белый оттенок и поэтому называется белым. Белый чугун трудно обрабатывается режущим инструментом. Этот чугун преимущественно перерабатывается на сталь, поэтому и называется передельным чугуном. Кроме серых (литейных) и белых (передельных) чугунов, в доменных печах получают специальные чугуны (высокопрочные, жаропрочные и антифрикционные). Ковкий чугун по механическим свойствам приближается к стали, но является более дешевым материалом. Получают его путем длительного отжига белого чугуна в специальных печах. Ковкий чугун используют для изготовления деталей, работающих в трудных условиях (зубчатые колеса, звенья цепей, детали сельскохозяйственных машин, автомобилей, трубопроводов и т. д.), а также в качестве заменителей цветных металлов и некоторых сталей. Чтобы повысить механические свойства чугуна и стали или придать им особые свойства, в их состав вводят специальные легирующие элементы: никель, хром, вольфрам, молибден, титан, ванадий, алюминий, марганец, кремний и т. д. Никель придает пластичность, стойкость против коррозии; хром - твердость, прочность и жаростойкость; кремний - упругость и повышение магнитных свойств; марганец - прочность и сопротивление разрыву. Ковкие чугуны, легированные хромом и молибденом, являются заменителями конструкционных сталей при изготовлении распределительных валиков, коленчатых валов, поршней, тормозных барабанов и т. п. При легировании медью и ванадием ковкие чугуны могут заменить некоторые антифрикционные сплавы для отливок втулок и подшипников. Ковкие чугуны обозначают буквами КЧ и цифрами, первая из которых обозначает предел прочности при растяжении, а вторая - относительное удлинение, например КЧ 35-10. Антифрикционный чугун - это низколегированный чугун. В качестве легирующих элементов в его состав входят хром, никель и другие элементы. В качестве антифрикционного материала - заменителя бронзы- применяют также модифицированный чугун, в состав которого вводят специальные присадки (модификаторы) - магний, ферросилиций, титан и другие, повышающие его прочность. Высокопрочный чугун получают из серого чугуна путем присадки магния перед разливкой в формы. Этот конструкционный материал по своим свойствам значительно отличается от всех марок серого чугуна. Высокопрочный чугун используют в качестве заменителя стального и цветного литья, поковок и т. п. Из него отливают рычаги поворотных устройств двигателей, кронштейны, зубчатые колеса, корпуса мостов автомобилей и тракторов, лопатки турбин и т. д.