Все физические свойства чугуна простыми словами

Чугун является одним из востребованных металлов в промышленности. Его применяют при изготовлении деталей для производственного оборудования, разных видов технических средств.

Физические свойства чугуна

Это металлический сплав, в структуре которого присутствует железо, углерод и разные примеси. Материал делят на подвиды, отличающиеся входящими компонентами и структурой. Каждая группа чугунного сплава имеет особенности обработки.

Плавка чугуна осуществляется при достаточно высоких температурах – от 1000 ºС. Для разных типов материала, отличающихся составом и наличием дополнительных присадок, температура плавления отличается.

Это один из основных сырьевых ресурсов черной металлургии. Из этого материала изготавливают коммунальное оснащение, бытовые предметы, детали автомобильной техники, используют в прочих промышленных сферах.

Вес чугуна

Зависимо от пористости и количества углерода в составе масса материала отличается. Зависимо от входящих примесей удельный вес чугуна изменяется при температуре плавления. Также этот показатель зависит от типа сырья:

• серый – 7,1 г/см3;
• ковкий – 7,3 г/см3;
• белый – 7,5 г/см3.

Также зависимо от всех показателей отличается структура разных чугунных сплавов, в т.ч. линейное расширение металла.

Объем чугуна

После прохождения температуры фазовых превращений материал увеличивается в объеме на 30%. Но при нагревании до 500 ºС объем металла повышается только на 3%. Такому расширению способствуют графитообразующие компоненты. А карбидообразующие элементы препятствуют увеличению объема.

В составе металлического сплава углерод составляет от 2,14%. Химический элемент способствует увеличению твердости материала, но при этом негативно влияет на ковкость металлического сплава и пластичность.

Какова плотность чугуна

Согласно лабораторным исследованиям плотность серого чугуна составляет 7,2 г/см3. По сравнению с другими металлическими сплавами показатель достаточно высокий.

Благодаря высокой плотности чугун нашел широкое применение в промышленной области. Из него выливают самые разнообразные детали для технических средств и оборудования.

Полезное видео о том что такое чугун и почему его нельзя заменить сталью полностью

Механические и технологические свойства чугуна

Технологические характеристики материала:

• обработка резкой;
• литейные характеристики;
• свариваемость.

Ключевое отличие чугунного сплава от чистой стали – высокий процент углерода в его составе. Также необходимо отметить лучшие литейные показатели материала, то что он не поддается ковке в стандартных условиях и низкую способность к пластической деформации.

Прочность чугуна

Предел прочности чугуна в процессе сжатия определяется его структурой. Компоненты сплава набирают прочностные характеристики одновременно с повышением степени дисперсности.

Существенное влияние на прочностные пределы металла оказывают формаграфитные компоненты:

• показатель прочности падает на 10-15% при нагревании материала до 100-200 ºС;
• прочность металла понижается при температуре свыше 400 ºС;
• прочностные показатели остаются неизменными в случае увеличения температуры плавления чугуна до 400 ºС.

Прочностные характеристики также зависят от плотности чугуна. Материал достигает предельной прочности, когда графит обретает форму сферы, которая получается без температурных воздействий, но при добавлении в чугунный сплав магния и церия.

Также предел прочности существенно понижается при размещении графитных включений цепочкой. В этом случае уменьшается показатель сплоченности чугунной массы.

Предел выносливости

Этот показатель возрастает при подъеме предела прочности чугунного сплава и частоты нагрузок.

Ударная вязкость

Показатель материала отображает динамические характеристики.

Показатель увеличивается в следующих случаях:

• при уменьшении количества графита в составе;
• при увеличении ферритных частиц;
• когда графитные компоненты образуют практически шарообразную форму.

Пластичность

Больше всего на показатель пластичности материала влияет форма графита, в т.ч. структура металлического сплава:

• удлинение отожженного чугунного сплава серого типа – 1,5%;
• удлинение не отожженного сплава серого типа – 1/10.

Максимальное удлинение чугунного сплава способно достигать 30%, когда графитные включения образуют форму сферы.

Упругость

На показатель упругости материала влияет форма графита. При неизменности графитных включений и повышении температуры упругость не изменяется.

Модуль упругости – это условная величина, которая напрямую зависит от наличия в составе графитных компонентов.

При количественном повышении графитных включений показатель упругости изменяется в меньшую сторону, если графитные частички по своей форме далеко не соответствуют глобулярной форме, значение упругости возрастает.

Тепловые свойства чугуна

Этот показатель существенно влияет на характеристики материала, зависит от его состава. В результате термообработки свойства чугунных сплавов меняются.

При какой температуре плавится чугун

Это лучший из металлов для выполнения плавки. Расплавленный чугун характеризуется высоким значением жидкотекучести и усадочным показателем, что позволяет эффективно применять материал для литья деталей.

Температура плавления разных типов чугуна отличается:

• серого – 1260 ºС, при заливании форм – 1400 ºС;
• белого – 1350 ºС, при заливании форм – 1450 ºС.

При обработке чугуна затраты энергии меньше, чем при обработке металла, так как температура плавления меньше на 400 ºС.

Температура кипения чугуна

Температура, при которой тело из жидкой формы переходит в газообразное состояние, называется температурой кипения. Жидкий чугун в нормальных условиях закипает при температуре 3000 ºС.

Этот показатель меняется зависимо от давления окружающей среды.

Теплоемкость чугуна

Обработка металла теплом характеризуется показателем теплоемкости. Заготовка нагревается, пока ее температура не повысится на 1 Кельвин.

Удельная теплоемкость чугуна зависит не только от температуры, но и наличия в сплаве дополнительных составляющих. Чем выше температура материала, соответственно тем больше показатель теплоемкости.

Средние значения теплоемкости металла в разных состояниях:

• твердое — 1 Кал/см3*Г;
• расплавленное — 1,5 Кал/см3*Г.

Исходя из этих значений, вычисляют соотношение объема вещества и показателя теплоемкости материала.

Теплопроводность

Этот показатель характеризует способность материала пропускать тепловую энергию. У чугуна теплопроводность зависит, как от входящих в состав дополнительных элементов, так и его структуры. У твердых металлов она выше, чем у расплавленных сплавов.

Значение теплопроводности для разных марок стали составляет 0,080-0,130 Кал/см*сек*ºС.

Температуропроводность

Такая физическая величина, как температуропроводность, показывает способность металла менять свою температуру.

При расчете этого показателя учитывают следующие параметры:

• для твердых сплавов – диапазон теплопроводности чугуна разных марок;
• для жидких сплавов – показатель теплоемкости.

Средний показатель температуропроводности чугунных сплавов в жидком состоянии составляет 0.030 см2/с.

Гидродинамические свойства

Гидродинамические свойства чугуна характеризуются динамической вязкостью, поверхностным натяжением, электрическими свойствами.

Динамическая вязкость

Вязкость чугунного сплава уменьшается в следующих случаях:

• при увеличении количества марганца;
• при уменьшении количества серных и других неметаллических компонентов.

На динамическую вязкость оказывает влияние температура. Показатель уменьшается при прямо пропорциональном соотношении температуры проходящего процесса и начала твердения.

Поверхностное натяжение

Значение поверхностного натяжения чугуна варьируется от 800 до 1000 дин/см2. Этот показатель существенно меняется при вхождении в состав чугунного сплава неметаллических компонентов и повышается при сокращении процента вхождения углерода.

Токсичность

Чугун часто применяют для изготовления посуды, так как он отлично переносит значительные температурные перепады и не содержит токсичных составляющих.

Электропроводность чугуна

Этот показатель материала оценивается по закону Курнакова и отличается у разных типов чугуна:

• серый – от 40 до 120 Мк·ои·см;
• белый – от 50 до 90 Мк·ои·см;
• ковкий – от 30 до 70 Мк·ои·см.

Компоненты твердого чугунного сплава по ослабевающему воздействию на электрическое сопротивление располагаются в следующем порядке: 1-кремний, 2-марганец, 3-хром, 4-никель, 5-кобальт.

Технологические особенности

Технологической особенностью чугунных сплавов является жидкотекучесть материала. На этот параметр влияют свойства чугуна и форма, а вычисляют его разными способами.

Повышение жидкотекучести чугуна наблюдается:

• при перегреве материала;
• при снижении показателя затвердевания;
• при уменьшении значения вязкости.

Также на этот показатель влияет теплоемкость и температура плавления металла.

Химические свойства

К химическим характеристикам относится сопротивление материала коррозии. Этот показатель зависит от его составляющих компонентов и окружающей среды.

Если сплав чугуна рассматривать по убыванию электродного потенциала, тогда входящие в него компоненты можно расположить так: фосфидная эвтектика-феррит, графит-цементит. Разность потенциалов графита с ферритом составляет 0,56 В.

При повышении дисперсности понижается коррозионное сопротивление. Обратное действие происходит при значительном сокращении дисперсности. Также сопротивление чугунного сплава зависит от наличия в составе легирующих компонентов.

Влияние примесей на характеристики металла

Любая примесь в составе оказывает определенное влияние на характеристики материала.

Как влияют разные элементы на качественные показатели чугуна:

• марганец – замедляет процедуру графитизации;
• фосфор – повышает показатели жидкотекучести, прочности и износоустойчивости;
• магний – увеличивает твердость и прочность материала;
• сера – чем меньше этого компонента в составе, тем лучше жидкотекучесть чугуна;
• кремний – повышает графитизацию и прочностные характеристики.

Также в чугунных сплавах могут присутствовать легированные составляющие.

Виды чугуна

Чугун бывает нескольких типов в зависимости от входящих компонентов и дополнительных примесей. Каждый тип сплава отличается своими характеристиками.

Разновидности чугуна:

1. Серый. Это самый востребованный материал, в структуре которого присутствует 2,5% углерода в виде частичек перлита либо графита. Серый сплав отличается повышенными прочностными показателями, его используют для изготовления деталей, которые в период эксплуатации переносят постоянные механические нагрузки (втулки, корпусные элементы, зубчатые шестеренки и прочие).
   
2. Белый. Материал содержит более 3% углерода в виде частичек карбида. Название чугуна исходит из того, что на его изломах наблюдается белый след. Такой материал применяют при производстве статических деталей, так как он достаточно ломкий и хрупкий.
   
3. Половинчатый. Этот тип объединяет в себе свойства серого и белого чугуна. Процент вхождения углерода в чугун, сплав которого им насыщают частички карбида и графита – в пределах 3,5-4,2%. Материал отличается высокой износостойкостью, выдерживает отлично постоянные трения. Благодаря этому показателю его эффективно применяют в машиностроительной отрасли.
4. Ковкий. Материал получают отжигом белого сплава. В его состав входит 3,5% углерода в виде частичек феррита. Применяется в машиностроении для изготовления различных элементов конструкции технических средств.

Для получения чугунных сплавов повышенной прочности графитные частицы обрабатывают до шаровидной формы, которые свободно заполняют кристаллическую решетку. Дополнительно в жидкий чугун добавляют церий, кальций либо магний.

1 плюсы минусы чугуна его отличия от стали

Ключевая составляющая чугунного сплава – это железо, а определяющий элемент – углерод, содержание которого составляет не менее 2%. Дополнительные компоненты: кремний, фосфор, сера и легирующие присадки.

Преимущества материала:

• по своим прочностным характеристикам чугун не уступает стали;
• чугун долго держит тепло и равномерно его распределяет в окружающую среду, поэтому его используют для изготовления посуды и батарей отопления;
• стойкость к агрессивным средам;
• чугун абсолютно безопасен для экологии природной среды и человеческого здоровья;
• продолжительный срок эксплуатации, свойства материала с годами только улучшаются.

Недостатки:

• при постоянном и продолжительном взаимодействии с водой металл покрывается ржавчиной;
• чугун дороже алюминия и стали;
• не все типы чугунных сплавов отличаются практичностью, есть слишком хрупкие, поэтому их применение ограничивается конкретными изделиями.

Основные отличия чугунных сплавов от стали:

• разный процент вхождения углерода;
• у чугуна меньше плотность и твердость;
• чугунные поверхности матовые, поверхность стали блестит;
• из чугуна детали выливают, из стали куют либо сваривают;
• сталь требует закалки;
• удельный вес чугуна меньше, чем у стали.

Еще одно значимое отличие сравниваемых металлов – в черной металлургии чугунный сплав называют первичным, а сталь конечным продуктом.

2 характеристики свойства и особенности структуры чугуна

Чугун по своей структуре бывает трех видов:

• ферритный;
• перлитный;
• перлитно-ферритный.

В каждом из перечисленных типов чугунных сплавов присутствует в разном количестве графит.

Варианты форм графитных частиц в составе чугуна:

• шарообразная – минерал обретает форму шара после добавления в состав чугуна магния, что повышает прочностные характеристики материала;
• лепестковая (пластичная) – структура минерала обеспечивает материалу большой запас пластичности, такая форма присуща стандартным видам чугуна;
• хлопкообразная – такая форма минерала получается вследствие отжига белого чугунного, она характерна для ковких сплавов;
• вермикулярная – эта форма присуща серым чугунным сплавам, она способствует улучшению характеристик материала, в т.ч. повышению пластичности.

Для повышения качественных показателей в сплавы чугуна часто добавляют никель, алюминий, медь. Эти виды металла относятся к группе легированных.

3 производство чугуна области его применения

Основное сырье для производства чугуна – железная руда, которую расплавляют в крупных доменных печах диаметром до 15 м и высотой до 30 м.

Производство чугуна – пошаговый технологический процесс:

1. Сортировка сырья. Материал сортируют по химическому составу и размеру частиц. Достаточно крупные куски природного ресурса дробят, а достаточно мелкие частицы, наоборот, соединяют в более крупные. Одновременно осуществляют обогащение сырья – увеличивают процентное содержание железа, а пустые породы удаляют.
2. Подготовка топлива. Используемый кокс очищают от мелких частиц и пыли.
3. Подготовка флюса. Очищают от мельчайших частиц и загружают в печь топливо.
4. Доменное производство. Загружают в доменную печь кокс-агломерат-кокс. Вдувают горячий воздух для повышения температуры. Благодаря окиси углерода руда восстанавливается, передвигается медленно вдоль печи, пока не образуется жидкий чугун.

В процессе производства доменная печь работает без перерывов. Одновременно с изготовлением чугуна осуществляется восстановление марганца, кремния и других добавочных компонентов.

Что изготавливают из чугунных сплавов:

• детали для машиностроительной отрасли – тормозные колодки, валы, блоки ДВС и прочие элементы;
• детали для агрегатов, эксплуатируемых при отрицательных температурах;
• элементы конструкций для металлургической отрасли;
• сантехническое оснащение – элементы для систем отопления, ванны и прочее.

Жидкий чугун также используют в области искусства. Из этого материала выливают памятники архитектуры, ажурные ворота и прочие декоративные элементы.