Белый чугун: свойства, применение, структура и особенности
Изначально технология литья чугуна была впервые освоена в Китае еще в Х веке, после чего нашла широкое распространение в других странах мира. Основа чугуна – это сплав железа с углеродом и другими компонентами. Отличительной особенностью является то, что в своем составе чугун содержит более 2 % углерода в виде цементита, чего нет в других металлах. Ярким представителем такого сплава можно назвать белый чугун, который используется в машиностроении для изготовления деталей, в промышленности и в быту.
Внешний вид
Сплав обладает белым цветом на изломе и характерным металлическим блеском. Структура белого чугуна – мелкозернистая.
Свойства
В сравнении с другими металлами, железоуглеродистый сплав имеет такие характеристики и свойства:
- высокая хрупкость;
- повышенная твердость;
- высокое удельное сопротивление;
- низкие литейные свойства;
- низкая обрабатываемость;
- хорошая тепловая стойкость;
- большая усадка (до 2 %) и плохое заполнение литейных форм;
- низкая ударная устойчивость;
- высокая износостойкость.
Металлическая масса обладает большой коррозийной стойкостью в соляной или азотной кислоте. Если в структуре имеются свободные карбиды, то при помещении чугуна в серную кислоту будет наблюдаться коррозия.
Белые чугуны, в составе которых имеется меньший процент углерода, считаются более устойчивыми сплавами к высоким температурам. За счет повышенной механической прочности и вязкости, что появляются при воздействии высоких температур, минимизируется образование трещин в отливках.
Состав
Железоуглеродистый сплав считается более дешевым материалом, в сравнении со сталью. Белый чугун содержит в себе железо и углерод, что находятся в химически связанном состоянии. Избыточный углерод, который не присутствует в твердом растворе железа, содержится в объединенном состоянии в виде карбидов железа (цементит), а в легированном чугуне в виде специальных карбидов.
Виды
В зависимости от количества содержания углерода в белый чугун подразделяется на такие виды:
- Доэвтектический вмещает от 2,14 % до 4,3 % углерода и после полного охлаждения приобретает структуру перлита, вторичного цементита и ледебурита.
- Эвтектический содержит 4,3 % углерода и обладает структурой в виде светлого фона цементита, который усеян темными зернами перлита.
- Заэвтектический имеет от 4,3 % до 6,67 % углерода в своем составе.
Применение
Исходя из вышеперечисленных свойств, можно сделать вывод, что практиковать термическую и механическую обработку белого чугуна не имеет смысла. Свое основное применение сплав нашел только в виде отливки. Следовательно, наилучшие свойства белый чугун получает только при соблюдении всех условий отливки. Данный способ обработки активно применяется, если необходимо изготовить массивные изделия, которые должны обладать высокой поверхностной твердостью.
Помимо этого, производится отжиг белого чугуна, в результате чего получают ковкие чугуны, что служат для изготовления тонкостенного литья, например:
- автомобильных деталей;
- изделий для сельского хозяйства;
- деталей для тракторов, комбайнов и др.
Сплав также используют для изготовления плит с ребристой или гладкой поверхностью, а также активно применяют для производства стали и серого чугуна.
Применение белых чугунов в сельском хозяйстве в виде конструктивного металла довольно ограничено. Чаще всего железоуглеродистый сплав используется для изготовления деталей гидромашин, пескометов и других механизмов, которые могут функционировать в условиях повышенного абразивного изнашивания.
Отбеленные чугуны
Данный сплав считается разновидностью белых чугунов. Добиться отбела на 12-30 мм возможно с помощью быстрого охлаждения поверхности железоуглеродистого сплава. Строение материала: поверхностная часть выполнена из белого, серый чугун в сердцевине. Из такого материала изготавливают колеса, шары для мельниц, прокатные валки, которые крепятся в станках для обработки листового проката.
Легирующие элементы сплава
Специально введенные легирующие вещества, добавленные в состав белого чугуна, способны придать большую износостойкость и прочность, коррозийную стойкость и жароупорность. В зависимости от количества добавленных веществ, различают такие виды чугуна:
- низколегированный сплав (до 2,5 % вспомогательных веществ);
- среднелегированный (от 2,5 % до 10 %);
- высоколегированный (более 10 %).
В сплав могут добавлять легирующие элементы:
- хром;
- сера;
- никель;
- медь;
- молибден;
- титан;
- ванадий,
- кремний;
- алюминий;
- марганец.
Легированный белый чугун обладает улучшенными свойствами и часто используется для отливки турбин, лопаток, мельниц, деталей для цементных и обычных печей, лопастей перекачивающих машин и др. Обрабатывается железоуглеродистый сплав в двух печах, что позволяет довести материал до определенного химического состава:
- в вагранке;
- в электроплавильных печах.
Отливки, выполненные из белого чугуна, подвергаются отжигу в печах для стабилизации необходимых размеров и снятия внутреннего напряжения. Температура отжига может повышаться до 850 градусов. Процесс нагрева и остывания в обязательном порядке должен производиться медленно.
Маркировка или обозначение белого чугуна с примесями начинается с буквы Ч. Какие именно легирующие элементы вмещаются в составе сплава, можно определить по последующим буквам маркировки. В названии могут быть цифры, которые обозначают количество в процентном выражении дополнительных веществ, что вмещаются в белом чугуне. Если в маркировке имеется обозначение Ш, то это обозначает, что в структуре сплава имеется графит шаровидной формы.
Виды отжига
Для образования белого чугуна в промышленности применяется скорое охлаждение сплава. На сегодня активно применяются такие основные виды отжига углеродистого сплава:
- смягчающий отжиг применяется преимущественно для увеличения в составе чугуна феррита;
- отжиг для снятия внутренних напряжений и минимизации фазовых превращений;
- графитизирующий отжиг, по итогу чего возможно получить ковкий чугун;
- нормализация при температурном режиме 850-960 градусов, в результате чего получают графит и перлит, а также увеличивается износостойкость и прочность.
Дополнительна информация
На сегодня доказано, что прямой зависимости не существует между износоустойчивостью и твердостью углеродистого сплава. Только за счет строения, а именно расположения карбидов и фосфидов в виде правильной сетки или в виде равномерных включений, достигается повышенная износоустойчивость.
На прочность белого чугуна наиболее интенсивно оказывает влияние количество углерода, а твердость зависит от карбидов. Наиболее большой прочностью и твердостью отличаются те чугуны, которые обладают мартенситной структурой.