Чугуны
|
Чугуны - железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода более 2,14%. Производство чугуна основано на доменном процессе, включающем три стадии: восстановление железа из оксидов, содержащихся в руде, науглероживание железа и шлакообразование. Сырьевыми материалами для получения чугуна являются железные руды, флюсы и кокс. Железные руды до плавки подвергают предварительной обработке и дроблению, обогащению и окускованию. Обогащают измельченную руду чаще всего магнитной сепарацией. Для удаления песчаных и глинистых частиц руду промывают водой. Мелкозернистые руды окусковывают агломерацией - спеканием на колосниковых решетках агломерационных машин или окатыванием в грануляторе с последующей сушкой и обжигом. Основное топливо при плавлении чугуна - кокс, он является источником тепла и непосредственно принимает участие в науглероживании железа. Флюсы (известняки, доломиты или песчаники) применяют для снижения температуры плавления пустой породы и связывания ее с золой топлива в шлаки. Доменная печь - это вертикальная шахта со стенами из огнеупорного кирпича, размещенными в стальном кожухе (рис. 9.17). Сверху в печь послойно загружают подготовленные сырьевые материалы. Вследствие горения кокса при наличии кислорода воздуха, который нагревается в нижней части печи, образуется оксид углерода, восстанавливающий железо из руды и химически взаимодействующий с ним. Помимо восстановления железа восстанавливаются также кремний, фосфор, марганец и другие примеси.  Расплавленные при температуре 1380-1420°С чугун и шлак выпускают через специальные отверстия (летки). Чугун разливается в формы, а шлак идет на переработку. В доменных печах выплавляют чугун, предназначенный для производства стали, литейный - для получения разнообразных чугунных изделий, специальные чугуны (ферросилиций, ферромарганец), используемые в производстве стали как раскислители или легирующие добавки. В зависимости от состава и структуры чугуны подразделяют на две основные группы: серые и белые (рис. 9.18). В серых чугунах углерод находится, в основном, в виде графита, в белых - цементита Fe3C. Для первых характерен излом темно-серого, для вторых матово-белого цвета. Изготавливают также т.н. половинчатый чугун, в котором часть углерода находится в виде графита, а часть в виде карбида железа (цементита).  Серые чугуны в зависимости от содержания углерода разделяют на доэвтектические (С=2,14-4,3%), эвтектические (4,3%) и заэвтектические (4,3-6,7%). Наиболее широко применяют доэвтектические чугуны. Состав сплава влияет на его структуру и свойства. В обычном сером чугуне графит находится в форме пластинок. Чем выше содержание в чугуне углерода, тем больше образуется графита и тем ниже его механические свойства. Серый чугун обладает хорошими литейными качествами в отличие от белого, имеющего очень высокую твердость и хрупкость. Из серого чугуна для строительных целей изготавливают сантехническое оборудование, трубы, плиты для полов, тюбинги для туннелей и другие изделия. Маркируют серый чугун буквами С - серый и Ч - чугун. После букв следуют цифры, которые указывают средний предел прочности при растяжении (МПах10-1), например СЧ20 (предел прочности при растяжении 200 МПа). Химический состав и основные свойства серых чугунов приведены в табл. 9.9.  К серым чугунам относятся также высокопрочные и легированные чугуны. Особенностью высокопрочного (модифицированного) чугуна является шаровидная форма включений графита, равномерно распределенного в его структуре. При получении высокопрочного чугуна перед его разливанием в расплав вводят примеси магния или церия. Наряду с высокой прочностью высокопрочный чугун обладает и определенной пластичностью. Для него установлены марки ВЧ35-ВЧ100. Для каждой марки, кроме прочности (временного сопротивления) при растяжении нормируется условный предел текучести. С увеличением марки от ВЧ35 до ВЧ100 он увеличивается от 220 до 700 МПа. Высокопрочные чугуны во многих изделиях и конструкциях эффективно заменяют сталь. Из них изготовляют зубчатые колеса, коленчатые валы двигателей, прокатные валки и другие детали, работающие под действием переменных напряжений и ударных нагрузок. К высокопрочным чугунам относится также чугун с вермикулярным графитом. Особенностью его структуры является то, что каждая частица шаровидного графита растет из отдельного центра кристаллизации. Для него характерны, наряду с высокой прочностью, и более высокие литейные свойства (низкая температура кристаллизации, текучесть в жидком состоянии, малая усадка), что позволяет получать изделия сложной формы, в том числе тонкостенные, выдерживающие значительные силовые и тепловые нагрузки. Для повышения эксплуатационных характеристик и придания чугуну специальных свойств (жаропрочности, износостойкости, коррозионной стойкости, немагнитности и др.) в его состав вводят легирующие элементы (Cu, Al, Ni, Cr, W, Ti, Mo и др.). Легированные чугуны разделяют на классы: никелевые, хромистые, алюминиевые и т.д. Их применяют для изготовления деталей машин с повышенными механическими свойствами, работающими в агрессивных средах. Специальные чугуны или ферросплавы имеют повышенное содержание кремния или марганца (ферросилиций, ферромарганец). Эти чугуны применяются при плавке стали для ее раскисления, т.е. удаления из стали вредной примеси - кислорода. Белый чугун, в связи с тем, что углерод в нем находится в виде карбида железа - цементита характеризуется высокой твердостью и хрупкостью, сопротивляемостью износу, плохой обрабатываемостью режущими инструментами. Белый чугун применяют для получения ковкого чугуна и стали. Его называют также передельным. Ковкий чугун получают после длительного отжига белого чугуна при высоких температурах, когда цементит почти полностью распадается с выделением свободного углерода в виде графита хлопьевидной формы. В отличие от серых, ковкие чугуны являются более прочными и пластичными, легче обрабатываются. При маркировке ковких чугунов первыми двумя цифрами обозначают предел прочности при растяжении, вторыми - относительное удлинение в % при разрыве образца. Например, КЧ35-10 - ковкий чугун с прочностью при растяжении 350 МПа и относительным удлинением 10%. Из ковких чугунов изготовляют крюки, скобы, ролики конвейеров, фланцы и др. |
