Чугун

Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Различные образцы чугуна

Чугун представляет собой группа железы - углеродные сплавы с содержанием углерода более 2%. [1] Его полезность связана с относительно низкой температурой плавления. Компоненты сплава влияют на его цвет при разрушении: белый чугун имеет примеси карбидов, которые позволяют трещинам проходить прямо, серый чугун имеет чешуйки графита, которые отклоняют проходящую трещину и инициируют бесчисленные новые трещины по мере разрушения материала, а высокопрочный чугун имеет сферическую форму. графитовые «узелки», препятствующие дальнейшему развитию трещины.

Углерод (C) от 1,8 до 4 мас.% И кремний (Si) 1–3 мас.% Являются основными легирующими элементами чугуна. Сплавы железа с более низким содержанием углерода известны как сталь .

Чугун имеет тенденцию быть хрупким , за исключением ковкого чугуна . Обладая относительно низкой температурой плавления, хорошей текучестью, литейными качествами, отличной обрабатываемостью , устойчивостью к деформации и износостойкостью , чугун стал конструкционным материалом с широким спектром применения и используется в трубах , машинах и деталях автомобильной промышленности , таких как цилиндры. головки , блоки цилиндров и коробки передач . Устойчив к окислению .

Самые ранние чугунные артефакты относятся к V веку до нашей эры и были обнаружены археологами на территории нынешнего Цзянсу в Китае. Чугун использовался в древнем Китае для ведения войны, сельского хозяйства и архитектуры. [2] В 15 веке чугун стал использоваться для производства пушек в Бургундии , Франции и Англии во время Реформации . Количество чугуна, используемого для пушек, требовало крупномасштабного производства. [3] Первый чугунный мост был построен в 1770-х годах Авраамом Дарби III и известен как Железный мост в Шропшире , Англия . Чугун также использовался встроительство зданий .

Производство [ править ]

Чугун производится из чугуна , который является продуктом плавки железной руды в доменной печи . Чугун может быть сделано непосредственно из расплавленного чугуна или путем повторного плавление чугуна , [4] , часто наряду со значительным количеством железа, стали, известняк, углерод (кокса) , и принимая различные меры для удаления нежелательных примесей. Фосфор и сера могут выгореть из расплавленного железа, но при этом также выгорает углерод, который необходимо заменить. В зависимости от области применения содержание углерода и кремния регулируется до желаемых уровней, которые могут составлять от 2–3,5% и 1–3% соответственно. При желании в расплав затем добавляют другие элементы до того, как будет произведена окончательная форма.кастинг . [ необходима цитата ]

Чугун иногда плавят в доменной печи особого типа, известной как вагранка , но в современных приложениях его чаще плавят в индукционных или электродуговых печах. [ необходима цитата ] После завершения плавки расплавленный чугун выливается в раздаточную печь или ковш. [ необходима цитата ]

Типы [ править ]

Легирующие элементы [ править ]

Диаграмма метастабильности железо-цементит

Свойства чугуна изменяются за счет добавления различных легирующих элементов или легирующих добавок . Рядом с углеродом , кремний является наиболее важной легирующей добавкой , поскольку она заставляет углерод из раствора. Низкий процент кремния позволяет углероду оставаться в растворе, образуя карбид железа и производя белый чугун. Высокий процент кремния вытесняет углерод из раствора с образованием графита и производства серого чугуна. Другие легирующие добавки, марганец , хром , молибден , титан и ванадий.противодействует кремнию, способствует удержанию углерода и образованию этих карбидов. Никель и медь увеличивают прочность и обрабатываемость, но не изменяют количество образующегося графита. Углерод в форме графита делает чугун более мягким, уменьшает усадку, снижает прочность и снижает плотность. Сера , если она присутствует в основном в качестве загрязнителя, образует сульфид железа , который предотвращает образование графита и увеличивает твердость . Проблема с серой в том, что она делает расплавленный чугун вязким, что вызывает дефекты. Чтобы противостоять воздействию серы, добавляют марганец, потому что они образуют сульфид марганца.вместо сульфида железа. Сульфид марганца легче расплава, поэтому он имеет тенденцию всплывать из расплава в шлак . Количество марганца, необходимое для нейтрализации серы, составляет 1,7 × содержание серы + 0,3%. Если добавить больше этого количества марганца, то образуется карбид марганца , который увеличивает твердость и охлаждение , за исключением серого чугуна, где до 1% марганца увеличивает прочность и плотность. [5]

Никель является одним из наиболее распространенных легирующих элементов, поскольку он улучшает структуру перлита и графита, улучшает ударную вязкость и выравнивает разницу в твердости между толщиной сечения. Хром добавляется в небольших количествах для уменьшения содержания свободного графита, получения холода и потому, что он является мощным стабилизатором карбида ; никель часто добавляют вместе. Можно добавить небольшое количество олова вместо 0,5% хрома. Медь добавляется в ковш или в печь в количестве порядка 0,5–2,5% для уменьшения холода, очистки графита и увеличения текучести. Молибдендобавляется порядка 0,3–1% для увеличения охлаждения и улучшения структуры графита и перлита; его часто добавляют в сочетании с никелем, медью и хромом для образования высокопрочных чугунов. Титан добавляется в качестве дегазатора и раскислителя, но он также увеличивает текучесть. 0,15–0,5% ванадия добавляют в чугун для стабилизации цементита, увеличения твердости и повышения сопротивления износу и нагреванию. Цирконий 0,1–0,3% способствует образованию графита, раскислению и увеличению текучести. [5]

В расплавы ковкого чугуна добавляется висмут в количестве 0,002–0,01%, чтобы увеличить количество кремния, которое можно добавить. В белое железо бор добавляется для облегчения производства ковкого чугуна; он также снижает эффект огрубления висмута. [5]

Серый чугун [ править ]

Пара английских охотничьих собак , 1576 год. Они, с огнеупорами , были обычным ранним применением чугуна, так как требовалось мало прочности металла.

Серый чугун характеризуется своей графитовой микроструктурой, из-за которой изломы материала приобретают серый цвет. Это наиболее часто используемый чугун и наиболее широко используемый литой материал в зависимости от веса. Большинство чугунов имеют химический состав 2,5–4,0% углерода, 1–3% кремния и остальное железо. Серый чугун имеет меньшую прочность на растяжение и ударопрочность, чем сталь, но его прочность на сжатие сопоставима с низко- и среднеуглеродистой сталью. Эти механические свойства регулируются размером и формой чешуек графита, присутствующих в микроструктуре, и могут быть охарактеризованы в соответствии с рекомендациями ASTM . [6]

Белый чугун [ править ]

Белый чугун имеет белые изломы из-за наличия осадка карбида железа, называемого цементитом. При более низком содержании кремния (графитирующего агента) и более высокой скорости охлаждения углерод в белом чугуне выделяется из расплава в виде цементита метастабильной фазы , Fe 3 C, а не графита. Цементит, выпадающий в осадок из расплава, образует относительно крупные частицы. Когда карбид железа выпадает в осадок, он отводит углерод из исходного расплава, перемещая смесь в направлении более близкого к эвтектическому, а оставшаяся фаза представляет собой аустенит с более низким содержанием железа и углерода (который при охлаждении может превратиться в мартенсит).). Эти эвтектические карбиды слишком велики, чтобы обеспечить преимущество так называемого дисперсионного твердения (как в некоторых сталях, где гораздо более мелкие выделения цементита могут препятствовать [пластической деформации], препятствуя движению дислокаций через матрицу чистого феррита железа). Скорее, они увеличивают объемную твердость чугуна просто за счет своей очень высокой твердости и значительной объемной доли, так что объемная твердость может быть аппроксимирована правилом смесей. В любом случае они предлагают твердость за счет прочности . Поскольку карбид составляет значительную часть материала, белый чугун с полным основанием можно отнести к кермету.. Белый чугун слишком хрупок для использования во многих конструктивных элементах, но, обладая хорошей твердостью и устойчивостью к истиранию, а также относительно невысокой стоимостью, он находит применение в таких областях применения, как износостойкие поверхности ( рабочее колесо и спиральная камера ) шламовых насосов , гильзы корпуса и подъемные стержни в шаре. мельницы и мельницы автогенного помола , шары и кольца в измельчителях угля , а также зубья ковша экскаватора (хотя для этого применения более распространена литая среднеуглеродистая мартенситная сталь). [ необходима цитата ]

Трудно достаточно быстро охладить толстые отливки, чтобы расплав полностью застыл в виде белого чугуна. Однако быстрое охлаждение можно использовать для затвердевания оболочки из белого чугуна, после чего остаток охлаждается медленнее, образуя сердцевину из серого чугуна. Полученная отливка, называемая охлажденной отливкой , имеет преимущества твердой поверхности с несколько более жесткой внутренней частью. [ необходима цитата ]

Сплавы белого чугуна с высоким содержанием хрома позволяют отливать массивные отливки (например, 10-тонную крыльчатку) в песчаные формы, поскольку хром снижает скорость охлаждения, необходимую для производства карбидов из материала большей толщины. Хром также производит карбиды с впечатляющей стойкостью к истиранию. [ необходима цитата ] Эти сплавы с высоким содержанием хрома приписывают свою превосходную твердость присутствию карбидов хрома. Основной формой этих карбидов являются эвтектические или первичные M 7 C 3.карбиды, где «М» представляет железо или хром и может варьироваться в зависимости от состава сплава. Эвтектические карбиды образуются в виде пучков полых гексагональных стержней и растут перпендикулярно гексагональной базисной плоскости. Твердость этих карбидов находится в пределах 1500-1800HV. [7]

Ковкий чугун [ править ]

Ковкий чугун представляет собой отливку из белого чугуна, которую затем подвергают термообработке в течение дня или двух при температуре около 950 ° C (1740 ° F), а затем охлаждают в течение дня или двух. В результате углерод в карбиде железа превращается в графит и феррит плюс углерод (аустенит). Медленный процесс позволяет поверхностному натяжению формировать графит в виде сфероидальных частиц, а не хлопьев. Из-за их более низкого удлинения сфероиды относительно короткие и далеко друг от друга, и имеют меньшее поперечное сечение по сравнению с распространяющейся трещиной или фононом.. У них также есть тупые границы, в отличие от чешуек, что устраняет проблемы концентрации напряжений, обнаруживаемые в сером чугуне. В целом ковкий чугун по своим свойствам больше похож на низкоуглеродистую сталь . Существует предел того, насколько большая деталь может быть отлита из ковкого чугуна, поскольку она сделана из белого чугуна. [ необходима цитата ]

Ковкий чугун [ править ]

Разработанный в 1948 году чугун с шаровидным графитом или шаровидный чугун имеет графит в виде очень крошечных конкреций, а графит - в виде концентрических слоев, образующих конкреции. В результате высокопрочный чугун обладает такими же свойствами, как губчатая сталь, без эффектов концентрации напряжений, которые могли бы вызвать чешуйки графита. Процент углерода присутствует в 3-4% , а процентное содержание кремния составляет 1.8-2.8% .Tiny составляет от 0,02 до 0,1% магния , и только от 0,02 до 0,04% цериядобавленные к этим сплавам замедляют рост выделений графита за счет связывания с краями графитовых плоскостей. Наряду с тщательным контролем других элементов и времени, это позволяет углю отделяться в виде сфероидальных частиц по мере затвердевания материала. Свойства аналогичны ковкому чугуну, но можно отливать детали с большим сечением. [ необходима цитата ]

Таблица сравнительных качеств чугунов [ править ]

Сравнительные качества чугунов [8]
ИмяНоминальный состав [% по весу]Форма и состояниеПредел текучести [ тыс. Фунтов / кв. Дюйм (смещение 0,2%)]Предел прочности на разрыв [тыс. Фунтов / кв. Дюйм]Относительное удлинение [%]Твердость [ шкала Бринелля ]Использует
Серый чугун ( ASTM A48)С 3,4, Si 1,8, Mn  0,5Бросать-500,5260Блоки цилиндров двигателей , маховики , картеры коробок передач , станины станков
Белый чугунС 3,4, Si 0,7, Mn 0,6В ролях (как в ролях)-250450Несущие поверхности
Ковкий чугун (ASTM A47)С 2,5, Si 1,0, Mn 0,55Литой (отожженный)335212130Осевые подшипники, опорные колеса, автомобильные коленчатые валы
Ковкий чугун или чугун с шаровидным графитомC 3,4, P 0,1, Mn 0,4, Ni  1,0, Mg 0,06Бросать537018170Шестерни, распредвалы , коленчатые валы
Ковкий чугун или чугун с шаровидным графитом (ASTM A339)-Литой (закаленный)1081355310-
Ni-жесткий тип 2C 2,7, Si 0,6, Mn 0,5, Ni 4,5, Cr 2,0Литье в песке-55-550Приложения с высокой прочностью
Ni-резист тип 2C 3,0, Si 2,0, Mn 1,0, Ni 20,0, Cr 2,5Бросать-272140Устойчивость к нагреву и коррозии

История [ править ]

Чугунный артефакт V века до нашей эры, найденный в Цзянсу, Китай.
Железный Лев Цанчжоу , крупнейшая сохранившаяся чугунная искусства из Китая , 953 AD, Позднее Чжоу периода
Чугунный дренажный, сливной и вентиляционный трубопровод
Чугунная пластина на рояле

Чугун и кованое железо могут непреднамеренно образоваться при выплавке меди с использованием железной руды в качестве флюса. [9] : 47–48

Самые ранние чугунные артефакты относятся к V веку до нашей эры и были обнаружены археологами на территории современного уезда Лухэ провинции Цзянсу в Китае. Это основано на анализе микроструктуры артефакта. [2]

Поскольку чугун сравнительно хрупкий, он не подходит для целей, где требуется острый край или гибкость. Он прочен при сжатии, но не при растяжении. Чугун был изобретен в Китае в V веке до нашей эры, его разливали в формы для изготовления плошек и горшков, а также оружия и пагод. [10] Хотя сталь была более желанной, чугун был дешевле и, таким образом, чаще использовался для изготовления орудий в древнем Китае, в то время как кованое железо или сталь использовались для изготовления оружия. [2] Китайцы разработали метод отжига чугуна путем выдерживания горячих отливок в окислительной атмосфере в течение недели или дольше, чтобы сжечь некоторое количество углерода у поверхности, чтобы поверхностный слой не был слишком хрупким.[11] : 43

На западе, где он не был доступен до 15 века, его самые ранние применения включали пушку и выстрел. Генрих VIII инициировал отливку пушек в Англии. Вскоре английские металлурги, использующие доменные печи, разработали технику производства чугунных пушек, которые, будучи тяжелее обычных бронзовых пушек, были намного дешевле и позволяли Англии лучше вооружать свой флот. Технология чугуна была перенесена из Китая. Аль-Казвини в 13 веке и другие путешественники впоследствии заметили железную промышленность в горах Альбурз к югу от Каспийского моря . Это близко к шелковому пути , так что использование технологий, полученных из Китая, возможно.[12] В ironmasters по Рууана продолжал производить чугуны до 1760, и вооружения было одним из основных видов использования утюгов после восстановления .

В то время чугунные котлы изготавливались на многих английских доменных печах. В 1707 году Абрахам Дарби запатентовал новый метод изготовления кастрюль (и чайников) более тонкими и, следовательно, более дешевыми, чем те, которые изготавливаются традиционными методами. Это означало, что его печи Coalbrookdale стали доминирующими поставщиками котлов, и в 1720-х и 1730-х годах к ним присоединилось небольшое количество других доменных печей, работающих на коксе .

Применение паровой машины для приведения в действие взрывных сильфонов (косвенно путем закачки воды в водяное колесо) в Великобритании, начиная с 1743 года и увеличиваясь в 1750-х годах, было ключевым фактором в увеличении производства чугуна, которое резко возросло в следующие десятилетия. В дополнение к преодолению ограничений по мощности воды, дутьевой дом с водяным паром давал более высокие температуры печи, что позволяло использовать более высокие доли извести, что позволяло преобразовывать древесный уголь, запасы древесины для которого были недостаточными, в кокс . [13] : 122

Чугунные мосты [ править ]

Использование чугуна в конструкционных целях началось в конце 1770-х годов, когда Авраам Дарби III построил Железный мост , хотя короткие балки уже использовались, например, в доменных печах в Коулбрукдейле. Затем последовали и другие изобретения, в том числе одно запатентованное Томасом Пейном . Чугунные мосты стали обычным явлением по мере того, как промышленная революция набирала обороты. Томас Телфорд принял материал для моста вверх по течению Buildwas , а затем Лонгдон-на-Терн Акведук , в канал желоба акведук в Лонгдон-на-Терн на Шрусбери канала . За ним последовал Акведук Чирк.и Pontcysyllte Aqueduct , оба из которых продолжают использоваться после недавних реставраций.

Лучше всего использовать чугун для строительства мостов, используя арки , чтобы весь материал находился в сжатом состоянии. Чугун, как и кладка, очень прочен на сжатие. Кованое железо, как и большинство других видов железы и действительно , как и большинство металлов в целом, является сильным в напряжении, а также жестком - устойчиво к гидроразрыву. Отношения между кованым и чугунным железом для структурных целей можно рассматривать как аналог отношения между деревом и камнем.

Мосты с чугунными балками широко использовались на ранних железных дорогах, таких как мост Уотер-стрит в 1830 году на манчестерской конечной станции Ливерпульской и Манчестерской железных дорог , но проблемы с его использованием стали слишком очевидными, когда новый мост, несущий Честер и Холихед. Железная дорога через реку Ди в Честере рухнула, погибли пять человек в мае 1847 года, менее чем через год после ее открытия. Катастрофа моста Ди была вызвана чрезмерной нагрузкой в ​​центре балки проезжающим поездом, и многие подобные мосты пришлось сносить и восстанавливать, часто из кованого железа.. Мост был плохо спроектирован, его связывали ремни из кованого железа, которые, как ошибочно полагали, укрепляли конструкцию. Центры балок были изогнуты, нижняя кромка находится в напряжении, где чугун, как и кладка , очень непрочен.

Тем не менее, чугун продолжал использоваться в несоответствующих конструктивных целях, пока катастрофа на железнодорожном мосту Тей в 1879 году не поставила под сомнение использование этого материала. Важнейшие проушины для удержания анкерных стержней и распорок на мосту Тай были отлиты за одно целое с колоннами, и они вышли из строя на ранних стадиях аварии. Кроме того, отверстия под болты тоже были отлиты, а не просверлены. Таким образом, из-за угла осадки отливки натяжение анкерных стержней прикладывалось к краю отверстия, а не распределялось по длине отверстия. Новый мост был построен из кованого железа и стали.

Однако произошли и другие обрушения мостов, кульминацией которых стала железнодорожная авария на Норвудском перекрестке в 1891 году. К 1900 году тысячи чугунных железнодорожных мостов были заменены стальными аналогами из-за широко распространенной озабоченности по поводу чугуна под мостами на железнодорожной сети в Великобритании.

Здания [ править ]

Чугунные колонны , впервые примененные в мельничных зданиях, позволили архитекторам строить многоэтажные здания без чрезвычайно толстых стен, необходимых для каменных зданий любой высоты. Они также открыли производственные площади на заводах и открыли видимость в церквях и аудиториях. К середине 19 века чугунные колонны были обычным явлением в складских и промышленных зданиях в сочетании с коваными или чугунными балками, что в конечном итоге привело к развитию небоскребов со стальным каркасом. Чугун также иногда использовался для декоративных фасадов, особенно в Соединенных Штатах, и в районе Сохо в Нью-Йорке есть множество примеров. Он также иногда использовался для законченных сборных зданий, таких как историческое здание Iron Building в Watervliet, Нью-Йорк.. [ необходима цитата ]

Текстильные фабрики [ править ]

Другое важное использование было на текстильных фабриках . Воздух на фабриках содержал легковоспламеняющиеся волокна пряденного хлопка, конопли или шерсти . В результате текстильные фабрики имели угрожающую тенденцию сгорать. Решение заключалось в том, чтобы построить их полностью из негорючих материалов, и было сочтено удобным снабдить здание железным каркасом, в основном из чугуна, взамен легковоспламеняющейся древесины. Первое такое здание было в Дитерингтоне в Шрусбери , Шропшир. [14] Многие другие склады были построены с использованием чугунных колонн и балок, хотя дефектные конструкции, дефектные балки или перегрузка иногда вызывали обрушения зданий и структурные разрушения. [цитата необходима ]

Во время промышленной революции чугун также широко использовался для изготовления рам и других неподвижных частей машин, включая прядильные, а позднее и ткацкие станки на текстильных фабриках. Широкое распространение получил чугун, и во многих городах появились литейные предприятия по производству промышленного и сельскохозяйственного оборудования. [ необходима цитата ]

См. Также [ править ]

Чугунная вафельница, образец чугунной посуды
  • Чугунная архитектура
  • Посуда чугунная
  • Металлические изделия - ремесленные изделия из металла: для архитектурных элементов, садовых элементов и декоративных предметов.
  • Металлургический завод - место, где обрабатывается железо (включая исторические места)
  • Meehanite
  • Литье в песчаные формы
  • Стали
  • Кованое железо

Ссылки [ править ]

  1. Перейти ↑ Campbell, FC (2008). Элементы металлургии и инженерных сплавов . Парк материалов, Огайо: ASM International. п. 453 . ISBN 978-0-87170-867-0.
  2. ^ a b c Вагнер, Дональд Б. (1993). Железо и сталь в Древнем Китае . БРИЛЛ. С. 335–340. ISBN 978-90-04-09632-5.
  3. Перейти ↑ Krause, Keith (август 1995). Оружие и государство: образцы военного производства и торговли . Издательство Кембриджского университета. п. 40. ISBN 978-0-521-55866-2.
  4. ^ Электрическая запись и ссылка на покупателя . Справочная компания покупателей. 1917 г.
  5. ^ a b c Гиллеспи, Ла-Ру К. (1988). Устранение неполадок производственных процессов (4-е изд.). SME. С. 4–4. ISBN 978-0-87263-326-1.
  6. ^ Комитет, A04. «Метод испытаний для оценки микроструктуры графита в чугунных отливках» . DOI : 10.1520 / a0247-10 . Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  7. ^ Zeytin, Хавва (2011). «Влияние бора и термической обработки на механические свойства белого чугуна для горнодобывающей промышленности». Международный журнал исследований железа и стали . 18 (11): 31–39. DOI : 10.1016 / S1006-706X (11) 60114-3 . S2CID 137453839 . 
  8. ^ Lyons, Уильям и Plisga, Гэри J. (ред.) Стандартный Справочник по нефтяной и природный газ Engineering , Elsevier, 2006
  9. ^ Tylecote РФ (1992). История металлургии, второе издание . Лондон: издательство Maney Publishing для Института материалов. ISBN 978-0901462886.
  10. Вагнер, Дональд Б. (май 2008 г.). Наука и цивилизация в Китае: Том 5, Химия и химическая технология, Часть 11, Черная металлургия . Издательство Кембриджского университета. С. 159–169. ISBN 978-0-521-87566-0.
  11. ^ Темпл, Роберт (1986). Гений Китая: 3000 лет науки, открытий и изобретений . Нью-Йорк: Саймон и Шустер.По произведениям Джозефа Нидхэма>
  12. ^ Вагнер, Дональд Б. (2008). Наука и цивилизация в Китае: 5. Химия и химическая технология: часть 11 Черная металлургия . Издательство Кембриджского университета, стр. 349–51.
  13. ^ Tylecote РФ (1992). История металлургии, второе издание . Лондон: издательство Maney Publishing для Института материалов. ISBN 978-0901462886.
  14. ^ "Дитерингтонская льняная фабрика: прядильная фабрика, Шрусбери - 1270576" . Историческая Англия . Проверено 29 июня 2020 .

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Гарольд Т. Ангус, Чугун: физические и технические свойства , Баттервортс, Лондон (1976) ISBN 0408706880 
  • Джон Глоаг и Дерек Бриджуотер, История чугуна в архитектуре , Аллен и Анвин, Лондон (1948)
  • Питер Р. Льюис, Красивый железнодорожный мост Серебристого Тея: повторное исследование катастрофы на мосту Тей 1879 года , Tempus (2004) ISBN 0-7524-3160-9 
  • Питер Р. Льюис, Бедствие на Ди: Немезида Роберта Стивенсона 1847 года , Темпус (2007) ISBN 978-0-7524-4266-2 
  • Джордж Лэрд, Ричард Гундлах и Клаус Рериг, Справочник по износостойкому чугуну , ASM International (2000) ISBN 0-87433-224-9 

Внешние ссылки [ править ]

  • Металлургия чугуна, Кембриджский университет
  • Криминалистическая экспертиза: катастрофа на мосту Тэй
  • Испанские чугунные мосты