ВВЕДЕНИЕ
Разработка новых материалов и перспективных технологий, которые будут обеспечивать повышение эксплуатационных характеристик и срока службы изделий, отвечать уровню требований современного производства и конкурентоспособности на международных рынках, была и остается актуальной задачей.
К одному из наиболее распространенных конструкционных материалов относится чугун. Существенно повысить качество деталей из чугуна (гильзы цилиндров, поршневые и уплотнительные кольца, червячные колеса, шестерни, втулки различного назначения и др.) и их эксплуатационные свойства можно не только легированием, модифицированием, внешним воздействием на кристаллизующийся расплав и т.п., но также за счет создания оптимальных условий затвердевания металла и управления процессом структурообразования [1].
Цель работы состоит в характеристике влияния легирующих добавок на механические и технологические свойства чугуна.
1. Общая характеристика чугуна
Чугун – это смесь 2,14 % углерода с железом, которая была получена при термическом нагревании в доменных печах до 1200°С При помощи шестого элемента таблицы Менделеева железо в форме сплава приобретает увеличенную твердость, теряя пластичность и ковкость, делая данный материал хрупким.
С целью получения особых параметров кроме углерода, в металлическую матрицу, осуществляют добавление следующих элементов: Si, Mg, P, S. Также широкое применение получили такие легирующие агенты, как Cr, V, Ni, Al.
Технология изготовления чугуна пришла к нам из Китая, где «ходили» чугунные деньги еще в 10 веке нашей эры. Потомками монголов уже в 13 веке из этого сплава изготавливались котлы. На полях сражений в Столетней войне впервые применялись артиллерийские орудия и боеприпасы, которые были отлиты из данного твердого раствора. В России его широкое применение в изготовлении оружия было налажено в 16 веке после появления доменной печи. В связи с чем, в 1701 году был построен Уральский чугунолитейный завод, который стал началом народного промысла, получившего название «Каслинское литье».
Начиная с 18 века Великобритания занимает пальму первенства по производству чугуна в мире. К середине 19 века в этой стране благодаря новой технологии Уилкинсона, осуществлялось производство половины всего мирового объема.
Благодаря тому, что технология изготовления не стояла на месте, Соединенные Штаты в конце 19 века смогли вырваться вперед.
В то время из указанного сплава начали изготавливать рельсы, водопроводные и канализационные трубы, камины, а такие сложные инженерно-строительные сооружения, как мосты.
Параметры чугуна. Плотность – 7,2 г/см3. Температура плавления соответствует 1200 °С. Такие свойства как хрупкость и малая пластичность сплава взаимосвязаны со следующими факторами:
1) увеличением длины связи, между атомами Fe, что обусловлено повышенным содержанием углерода;
2) неполным внедрением атомов углерода в структуру матрицы железа, что обусловлено низкой, по сравнению со сталью, температурой плавления.
2. Легированный чугун
Легированный чугун – чугун, в состав которого наряду с обычными компонентами специально введены легирующие элементы, придающие ему прочность, износостойкость, жароупорность, коррозионную стойкость, немагнитность [4]. Для легированных чугунов свойственна значительная износостойкость и хорошие литейные свойства.
Повышение механических свойств чугуна при легировании взаимосвязано с влиянием легирующих элементов на формирование структуры при эвтектической и эвтектоидной кристаллизации. Почти все легирующие элементы повышают устойчивость жидкой фазы и аустенита, в результате чего эвтектическая кристаллизация, при которой образуется графит, и эвтектоидная кристаллизация, при которой формируется структура металлической основы чугуна, происходит при больших степенях переохлаждения, чем в нелегированном чугуне. Благодаря этому образуется более мелкий графит и получается более дисперсный (тонкопластинчатый) перлит, результатом чего является повышение механических свойств чугуна.
Для легирования чугуна используют те же элементы, что и для легирования стали. Если целью легирования является повышение механических свойств, введение легирующих элементов осуществляют в количествах до 1 %. Это обусловлено тем, что большинство из них (карбидообразующие элементы) при увеличении содержания вызывают отбеливание чугуна, т.е. способствуют образованию ледебурита при эвтектической кристаллизации. Если целью легирования является придание чугуну специальных свойств, то содержание легирующих элементов увеличивают, в некоторых случаях – значительно (более 10 %) [5].
Суть получения легированного чугуна с соответствующими физико-механическими свойствами состоит в грамотном управлении процессом выплавки, обработке жидкого металла, заливке, а также кристаллизации, благодаря чему является возможным получение заранее заданной структуры чугуна.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате проделанной работы была дана характеристика влияния легирующих добавок на механические и технологические свойства чугуна.
Чугун – смесь 2,14 % углерода с железом, которая была получена при термическом нагревании в доменных печах до 1200°С. При помощи шестого элемента таблицы Менделеева железо в форме сплава приобретает увеличенную твердость, теряя при этом пластичность и ковкость, делая данный материал хрупким.
Чугуны, согласно химическому составу подразделяют на нелегированный, легированный – специального назначения.
Легированный чугун – чугун, в состав которого наряду с обычными компонентами специально введены легирующие элементы, придающие ему прочность, износостойкость, жароупорность, коррозионную стойкость, немагнитность. Для легированных чугунов свойственна значительная износостойкость и хорошие литейные свойства.
Повышение механических свойств чугуна при легировании взаимосвязано с влиянием легирующих элементов на формирование структуры при эвтектической и эвтектоидной кристаллизации.
Элементы, которые оказывают положительное влияние (очевидно в определенных пределах их содержания) на графитизацию представлены алюминием, кремнием, никелем, медью и кобальтом. Такие элементы как хром, ванадий, вольфрам и молибден, противодействуют выделению графита. Противоположной склонность чугуна к образованию графита относится его склонность к отбелу, измеряемая глубиной отбела стенки отливки из серого чугуна.
Примерами влияния добавления некоторых элементов являются следующие: кремний Si способствует графитизации чугуна, и улучшает его литейные свойства; марганец Mn способствует отбеливанию чугуна, но содержание Mn до 1,2% полезно, т.к. увеличиваются твердость и прочность чугуна и т.д.
В зависимости от уровня легирования выделяют следующие виды чугуна: низколегированные (суммарное количество легирующих элементов меньше 2, 5 %), среднелегированные (2, 5-10 %), высоколегированные (больше 10 %).
Легированные чугуны дешевле нержавеющих сталей, Для них свойственны хорошие литейные свойства, в связи с чем изделия из них получаются экономичными.
1. Повышение эксплуатационных свойств ответственных деталей горных машин их легированных чугунов / Е.И. Марукович [и др.] // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2016. – 2016. – № 10. – С. 48-60.
2. Стуканов, В.А. Материаловедение / В.А. Стуканов. – М.: Форум: ИНФРА-М, 2010. – 367 с.
3. Чугун: процесс производства, классификация и маркировка [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://sopromats.ru/materialyi/metallyi/chugun/.
4. Легированный чугун [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://megabook.ru/article/Легированный%20чугун.
5. Власов, В.С. Металловедение: Учебное пособие / В.С. Власов. – М.: Альфа-М, НИЦ ИНФРА-М, 2016. – 336 с.
6. Герек, А. Легированный чугун – конструкционный материал / А. Герек, Л. Байка. – М.: Металлургия, 1978. – 208 с.
7. Влияние элементов на свойства чугуна [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://steelcast.ru/vliyanie_elementov_na_svoystva_chuguna.
8. Расшифровка обозначений марок сталей и чугунов [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://metpromsnab.com/rasshifrovka-oboznachenij-marok-stalej-i-chugunov/.
9. Овчинников, В.В. Металловедение / В.В. Овчинников. – М.: ИДФОРУМ: ИНФРА-М, 2011. – 320 с.
10. Механические и технологические свойства чугуна [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://metiz-bearing.ru/material/mehanicheskie_tehnologicheskie_svojstva_chuguna.html.
