Металлические сплав. Их классификация

3) ковкие чугуны;

4) высокопрочные чугуны

2.2.1 Легированный  чугун

Легированный  чугун получают присадкой никеля, хрома, а в отдельных случаях титана или меди и других металлов, что обеспечивает более мелкое строение основной массы отливки и улучшает строение графита. Из этого чугуна изготовляют детали, работающие в условиях значительного износа и больших механических нагрузок.

Модифицирование обеспечивает более мелкую и завихренную форму  графита и более однородное микростроение в сечении отливки, а следовательно, повышает прочность чугуна. К модифицированным, например, относятся чугуны СЧ 32-52 – СЧ 44-64. Модифицирование заключается в присадке в жидкий чугун различных добавок: ферросилиция, силикокальция и др. в количестве 0,1-0,3% от массы чугуна непосредственно во время заполнения им ковша. Модификаторы раскисляют чугун и создают дополнительные центры кристаллизации и графитизации.

Для получения модифицированного  чугуна подбирают такой химический состав шихты, который при обычных  условиях затвердевает с половинчатой структурой. После модифицирования  этот чугун имеет структуру перлита.

Высокопрочный чугун имеет ферритную или перлитную структуру и шаровидное строение графита. Из него изготовляют отливки со стенками большой толщины и высокой прочности (коленчатые валы, зубчатые колеса, детали турбин и др.). Высокопрочный чугун получают модифицированием жидкого чугуна магнием. Одновременно с ним или несколько позже в чугун вводят ферросилиций. В результате модифицирования в чугуне образуется графит шаровидной формы, что повышает его прочность.

Чугун с шаровидным графитом подразделяют на марки: ВЧ 60-2, ВЧ 42-12 и  др., где ВЧ означает высокопрочный  чугун; первые две цифры – минимальный  предел прочности на растяжение, последующие  цифры – минимальное относительное  удлинение. В отличие от обычного серого чугуна этот чугун обладает повышенной пластичностью.

Получен чугун с шаровидным графитом, который после соответствующей  термической обработки имеет  предел прочности на растяжение более 1370 МН/м^2.

Чугун со специальными свойствами применяют в машиностроении в тех случаях, когда отливка (кроме прочности) должна обладать или износостойкостью, или определенными электромагнитными свойствами, или термостойкостью, пли химической стойкостью. Приведем несколько марок чугуна со специальными свойствами.

Магнитный чугун применяют  для различных корпусов электрических  машин, щитов, рам и др. Наилучшими характеристиками обладает ферритный  чугун с шаровидным графитом и  др.

Из немагнитного чугуна изготовляют  кожухи и бандажи электромашин. К  таким чугунам относится никелемарганцовистый чугун, содержащий 7-10% Мn и 7-9% Ni; марганцово-медистый чугун, содержащий 9,8% Мn, 1,2-2,0% Cu и др.

К чугунам с большим  электросопротивлением относится  сплав, содержащий 4% Si, до 3% Ni и др.

В химическом машиностроении широко применяют высококремнистый чугун с  14-16% Si, имеющий высокую стойкость в среде серной кислоты. Еще большей стойкостью обладает кремнемолибденовый чугун, содержащий 14,5-16% Si, 3,4-4% Mo и др.

Аустенитный чугун обладает высокой кислотостойкостью, щолочестойкостью и жаропрочностью. К этим чугунам относится нирезит, содержащий 14% Ni, 2% Сr, 7% Сu, и никросилал с 5% Si, 18% Ni, 2% Сr и др.

К жаростойким чугунам  относится чугаль, содержащий 20- 25% Аl и др.

2.2.2 Ферросплав

Ферросплавы — сплавы железа с другими элементами (Cr, Si, Mn, Ti и др.), применяемые главным образом для раскисления и легирования стали (напр., феррохром, ферросилиций). К ферросплавам условно относят также некоторые сплавы, содержащие железо лишь в виде примесей (силикокальций, силикомарганец и др.), и некоторые металлы и неметаллы (Mn, Cr, Si) с минимальным содержанием примесей. Получают из руд или концентратов в электропечах или плавильных шахтах (горнах).

Как правило, стоимость металла  в виде ферросплава ниже, чем стоимость  его в чистом виде. Это связано, в частности, с тем, что руда обычно содержит — в том или ином виде — железо, при переработке переходящее в сплав вместе с основным компонентом, и технологическая схема получения ферросплава оказывается одним из самых коротких и дешевых путей переработки сырья. В то же время для получения чистого сплава в технологию приходится вводить дополнительные этапы, усложняющие процесс и увеличивающие затраты. При этом получение железистого металла может быть либо полностью исключено либо являться одним из промежуточных этапов, когда получаемый передельный ферросплав перерабатывается на чистый металл.

При восстановительной плавке железо, растворяя основной элемент, снижает его активность, понижает температуру плавления сплава.

При легировании и раскислении стали и сплавов использование легирующего элемента в виде ферросплава повышает его усвоение расплавом, снижает угар.

По объёму производства разделяют  так называемые «большие» и «малые»  ферросплавы. Большие ферросплавы:

• кремнистые ферросплавы
• марганцевые ферросплавы
• хромистые ферросплавы

Малые ферросплавы:

• ферровольфрам
• ферромолибден
• феррованадий
• сплавы щёлочноземельных металлов
• феррониобий
• ферротитан и титансодержащие сплавы
• ферробор, ферроборал и лигатуры с бором
• сплавы с алюминием
• сплавы с редкоземельными металлами
• ферросиликоцирконий, ферроалюминоцирконий
• ферроникель и феррокобальт.

Так, например, мировое производство феррохрома в 1989 году составляло (из расчета на сплав с 60 % хрома) 3,450 млн тонн^[2]. Мировое производство ферроникеля в 2001 году составило 954 тыс. тонн

2.2.3 Обыкновенный  нелегированный чугун

Белый чугун 

- По цвету свежего излома  различают два вида чугуна: а)  серый и б) белый. Оба эти вида явно разнятся между собой как по физическим, так и по химическим свойствам; а именно, серый чугун (называемый также мягким) несколько ковок и обладает вязкостью, достаточной для возможности употреблять его в форме отливок; Б. же чугун (жесткий) тверд и хрупок и для применения в виде изделий не годится вовсе; при обработке образцов соляной или серной кислотой Б. чугун растворяется без остатка, тогда как при такой же обработке серого всегда остается черный графитовый остаток. При быстром охлаждении (например, при поливке водой) раскаленного серого чугуна, почти всякий серый чугун делается белым, если же такой отбеленный чугун опять накалить и охлаждать медленно, то он снова сделается серым. Б. чугун плавится при низшей температуре и не бывает так жидок, как серый; при переделах в железо работа с Б. чугуном идет гораздо успешнее. Б. чугун по своим качествам может быть подразделен на четыре группы, которые отнюдь не должны быть между собою смешиваемы. \

1) Чугун белый, зеркальный, характеризуется сильно развитой кристаллизацией, причем площадки их обладают значительным блеском (часто покрыты побежалыми цветами). Чугун этот получается только при спелом ходе домны (см. Доменное производство), проплавляющей шихту из легкоплавких марганцовистых руд; зеркальный чугун представляет собой материал, наименее содержащий так называемые вредные примеси (сера и фосфор); он есть высший представитель группы специальных чугунов, употребляемых при получении стали по кричному способу. Сам зеркальный чугун плавится жидко и переделывается в сталь трудно, другие же члены группы, напротив, переделываются легко. Содержание углерода в зеркальном чугуне доходит до 5,8%. Количество марганца в металле, получаемом из одних шпатоватых железняков и сферосидеритов, редко превосходит 8%; но с тех пор как металл этот начали употреблять при фабрикации литой стали, содержание марганца в чугуне стали увеличивать специальной прибавкой богатых марганцовых руд, и в настоящее время зеркальным чугуном принято называть даже такой металл, который имеет 30% марганца и который вовсе не способен развивать кристаллизацию, столь характерную для обыкновенного зеркального чугуна. Замечательная способность этого 30% металла состоит в том, что до этого предела чугун еще способен притягиваться магнитом, при большем же содержании марганца чугун этого свойства не обнаруживает. Белый чугун богатый марганцем называют ферроманганом (см. это сл.). К группе зеркального чугуна принадлежат все так называемые сталепередельные чугуны, известные у немцев под названием Floss. Они получаются в тех же домнах, из тех же руд, как и зеркальный чугун, только при условиях не столь спелого хода, чаще всего при более тяжелой рудной сыпи (см. Домна). По содержанию углерода они очень редко бывают выше 3%, чаще же не более 2%; вот такие-то чугуны особенно удобны для передела в сталь по кричному способу.

2) Вторую группу Б. чугуна  составляет: а) чугун так называемого  сырого хода. Условия его получения  будут видны при описании доменной  плавки (см. Домна); здесь же достаточно  упомянуть, что Б. чугун, бедный  углеродом, полученный из чистых  руд, представляет самый удобный  материал для пудлингового передела. К этой же группе принадлежит также б) Б. чугун с малым содержанием углерода, полученный из чистых, но трудно восстановимых и трудноплавких руд при спелом ходе домны; такой чугун, особенно же близкий к третному жесткому (излом белый с черными крапинами) есть наилучший материал для изготовления изделий так называемого ковкого чугуна (см. Чугун). Содержание углерода в чугунах этой группы не превосходит 3%, количество же кремния всегда ниже, чем у чугунов серых и редко достигает до 0,4%.

3) Некоторые сорта руд  содержат в себе серу и фосфор  в таком количестве, что получаемый  из них чугун не годен для  обыкновенного передела на хорошее  железо (а именно сера причиняет красноломкость, а фосфор хладноломкость) и потому такие руды ценятся гораздо ниже, чем руды чистые. Белый чугун, получаемый из таких руд при переспелом ходе домны, прежде употреблялся только для выделки самых дешевых сортов; нынче же, благодаря основному способу (томассированию, см. это слово), руды эти (после надлежащего обжига для выделения серы) приобрели ценность, так как белый фосфористый чугун, получаемый из них при томассировании, дает материал высокого качества (см. Томассирование).

4) В четвертую группу  должно отнести: а) Б. чугун,  получаемый через отбеливание  чистого серого, и б) Б. чугун,  получаемый при рафинировании  нечистых серых чугунов. Обе  эти побочные операции имеют  значение при кричном или пудлинговом  переделе. Отбеливание через расплавление  и затем быстрое охлаждение  делает металл более способным  к выгоранию углерода, через что передел в железо идет скорее. Серый чугун, подвергнутый расплавлению и рафинированию, т. е. подвергнутый окислительному влиянию дутья (очищение 76 пудов чугуна длится около 2½ часов) претерпевает более глубокое изменение, а именно при этом выделяются не только углерод и большая часть кремния, но и значительная часть серы и фосфора (угар металла доходит до 10%); таким образом белый рафинированный чугун способен давать при своем переделе в железо металл высшего качества.

Некоторые сорта твердого белого чугуна приготовляют прямо для  отливки режущих мелких инструментов.

Чугун серый — сплав железа с углеродом, в котором присутствует графит в виде крабовидных, пластинчатых или волокнистых включений.

Отдельной разновидностью (группой  марок) серого чугуна является высокопрочный чугун с графитом глобулярной формы, что достигается путем его модифицирования магнием (Mg), церием (Ce) или другими элементами.

В зависимости от скорости дальнейшего охлаждения после затвердевания (а значит и от размера отливки) чугун может иметь ферритную, феррито-перлитную и чисто перлитную металлическую основу. С ростом скорости охлаждения возрастает доля перлита, а следовательно и прочность чугуна, но падает его пластичность. Для каждой области применения выбирают марку чугуна с оптимальным для этого случая сочетанием свойств.

Маркируется серый чугун  буквами СЧ, после которых указывают  гарантированное значение предела  прочности в кг/мм², например СЧ30. Высокопрочные чугуны маркируются буквам ВЧ, после которых указывают прочность и, через тире, относительное удлинение в %, например ВЧ60-2.

Серый чугун характеризуется  высокими литейными свойствами (низкая температура кристаллизации, текучесть  в жидком состоянии, малая усадка) и служит основным материалом для  литья. Он широко применяется в машиностроении для отливки станин станков и  механизмов, поршней, цилиндров.

Высокая хрупкость, свойственная серым чугунам вследствие наличие в их структуре графита, делает невозможным их применение для деталей, работающих в основном «на растяжение» или «на изгиб»; чугуны используются лишь при работе «на сжатие».

Кроме углерода, серый чугун  всегда содержит другие элементы, в  первую очередь кремний, способствующий образованию графита. В большинстве  марок серого чугуна содержание углерода от 2,9 до 3,7%.

Ко́вкий чугу́н — условное название мягкого и вязкого чугуна, получаемого из белого чугуна отливкой и дальнейшей термической обработкой. Используется длительный отжиг, в результате которого происходит распад цементита с образованием графита, то есть процесс графитизации, и поэтому такой отжиг называют графитизирующим.

Ковкий чугун, как и серый, состоит из сталистой основы и содержит углерод в виде графита, однако графитовые включения в ковком чугуне иные, чем в обычном сером чугуне. Разница в том, что включения графита в ковком чугуне расположены в форме хлопьев, которые получаются при отжиге, и изолированны друг от друга, в результате чего металлическая основа менее разобщена, и чугун обладает некоторой вязкостью и пластичностью. Из-за своей хлопьевидной формы и способа получения (отжиг) графит в ковком чугуне часто называют углеродом отжига.

По составу белый чугун, подвергающийся отжигу на ковкий чугун, является доэвтектическим и имеет структуру ледебурит + цементит (вторичный) + перлит. Для получения структуры феррит + углерод отжига в процессе отжига должен быть разложен цементит ледебурита, вторичный цементит и цементит эвтектоидный, то есть входящий в перлит. Разложение цементита ледебурита и цементита вторичного (частично) происходит на первой стадии графитизации, которую проводят при температуре выше критической (950—1000 °С); разложение эвтектоидного цементита происходит на второй стадии графитизации, которую проводят путём выдержки при температуре ниже критической (740—720 °C), или при медленном охлаждении в интервале критических температур (760—720 °C).