Виды чугуна и их применение и маркировка, свойства

Преимущества «железного литья»

Чугуны, как и любые материалы, имеют определенные плюсы и минусы, при эксплуатации различной продукции из них – запчастей к автомобилям, деталей станков, сантехнического оборудования и других изделий.

Преимущества

экологичность;
способность сохранять температуру;
высокая теплоотдача;
устойчивость к перепадам температур;
устойчивость к кислотам и щелочам;
коррозионная устойчивость;
некоторые виды – повышенной прочности, что позволяет сравнивать со сталью;
износостойкость;
долговечность.

Недостатки:

хрупкость, при сборке следует соблюдать осторожность;
большой вес изделий;
ржавеет при длительном контакте с водой.

Основу черной металлургии в нашей стране составляет производство чугуна, стали и проката. Крупнейшим потребителем «железного литья» являются такие стратегически важные отрасли как металлообработка, машиностроение, строительство, транспорт, легкая промышленность, химическая и другие.

Железное литьё не сдает свои позиции и в производстве товаров народного потребления – чугунные котлы, сковородки, утятницы, ограды. Искусные мастера из этого металла создают самые настоящие произведения искусства – каминные решетки, ограды, скамейки, перила, украшая их ажурными чугунными кружевами.

Рейтинг: /5 —
голосов

Классификация чугунов

Металлургическая промышленность выпускает разные виды чугуна. Сорт зависит от участвующих в сплаве форм графита или цементита и остальных компонентов.

Серый чугун (СЧ)

Обозначают буквами СЧ. На разрезе – серовато-черный, что обусловлено присутствием графита, этого природного цвета. В составе также присутствуют различные примеси, в том числе и кремний. Этот вид чугуна, свободно поддающийся резке и часто употребляющийся в машиностроительной отрасли для «неосновных» деталей, при добавлении фосфора становится жидкотекучим. Применим для всех видов литья, в том числе художественного.

Белый чугун

На разрезе светлый, благодаря присутствию карбида железа. Подвергается дальнейшей переработке на ковкий чугун и сталь. Поэтому сорт называют передельным. Свойства – хрупкость и твердость, слабо обрабатываемый, не годится для самостоятельного использования. Твердый, слабо подвержен обработке, хрупкий – такие свойства делают его непригодным для самостоятельного использования.

Ковкий чугун

Обозначение — КЧ. При длительном отжиге белый чугун преобразуется в ковкий.

Свойства – не поддаётся обработке давлением, но при этом обладает повышенной сопротивляемостью ударам и прочностью при растяжении. Ковкий чугун подходит для изготовления деталей усложненной конфигурации.

Высокопрочный

Маркируют буквами ВЧ. Получают при введении в серый жидкий чугун спецдобавок, для придания графиту сфероидальной формы. Высокопрочный вид чугуна применяют для изготовления ответственных деталей – шестерён, коленвалов, поршней, которые должны иметь высокую износоустойчивость.

Форма выпуска передельного и литейного видов – специальные формы – чушки. Современные технологии позволяют получить полуфабрикаты, квадратные, листовые, пластинчатые, брусковые заготовки разновидностей чугуна.

В зависимости от назначения и химсостава выделяют следующие разновидности чугуна:

ферросплавы
легированные.

Они имеют названия, соответствующие металлам-добавкам:

циркониевые;
хромистые;
ванадиевые;
медные;
титановые.

Легированные виды более всего востребованы в производстве агрегатов, механизмов, узлов и деталей, работающих в особо неблагоприятных средах и условиях.

Чугун, отличающийся увеличенным процентным включением ферромарганца или ферросилиция, относят к специальным – ферросплавам. Добавляются в сталеплавильном производстве для выделения кислорода – раскисления.

К легированным чугунам относят:

Антифрикционные;
Жаростойкие;
Жаропрочные;
Коррозионностойкие.

Антифрикционные виды маркируются первыми буквами АЧ. Например, АЧС — это антифрикционный серый чугун. Ещё можно увидеть маркировку АЧВ — антифрикционный высокопрочный чугун и АЧК — антифрикционный ковкий.

Жаростойкий вид маркируют буквами ЖЧ. Далее указывается буква обозначающая легирующий элемент. Например, ЖЧХ-2,5. Это жаростойкий чугун с добавлением хрома 2,5%.

К жаростойким относят марки: ЧН19ХЗШ.

К коррозионностойким: маркировка ЧНХТ, ЧН1МХД

Еще их называют специальными чугунами.

6.9. Виды арматурных сталей для армирования железобетонных конструкций

По способу изготовления стальную арматуру железобетонных конструкций подразделяют на стержневую, холоднонатянутую проволочную и проволочную обыкновенную канатную (Рис. 6.10).

Стержневую арматуру железобетонных конструкций изготовляют следующих видов: горячекатанную – диаметром 6-80мм; термически или термомеханически упрочнённую – диаметром 6-40мм; упрочненную выдержкой – диаметром 20-40мм.

Рис.6.10. Виды арматуры

Стержневую горячекатаную арматуру в зависимости от механических характеристик делят на следующие классы: А-I (А240), А-II (А300), А-III (А400), А-IV (А600), А-V (А800), А-VI (А1000).

Термическому и термомеханическому упрочнению подвергают стержневую арматуру десяти классов: Ат400С, Ат500С, Ат600, Ат600С, Ат600К, Ат800, Ат800К, Ат1000, Ат1000К, Ат1200.

Буква «С» указывает на возможность стыкования стержней сваркой, буква «К» – на повышенную стойкость арматуры против коррозионного растрескивания.

Стержневую арматуру, упрочненную вытяжкой, выпускают классов А-IIв и А-IIIв.

Арматурную проволоку в зависимости от механических свойств делят на обыкновенную и высокопрочную, а по форме поверхности – на гладкую и периодического профиля (Рис.6.11).

Обыкновенную арматурную проволоку изготавливают из низкоуглеродистой стали. Диаметр проволоки – 3,4,5мм. Она может быть двух классов: В-I –гладкая и Вр-I – периодического профиля (Рис.6.12).

Рис.6.11. Проволока периодического профиля

Рис.6.12. Проволока гладкая

Высокопрочную арматурную проволоку изготавливают из углеродистой стали путем многократного волочения и низкотемпературного отпуска. Классы: В-II – гладкая и Вр- II – профилированная.

Механические свойства высокопрочной проволоки значительно выше обыкновенной.

Арматурные канаты состоят из нескольких проволок, свитых так, чтобы было исключено их раскручивание (Рис.6.13).

Канаты выпускают двух классов: К-7 и К-19.

Рис.6.13. Арматурные канаты

БЛОК САМОКОНТРОЛЯ

Для повторения и закрепления теоретического материала ознакомьтесь с презентацией

Презентация «Глава 6. Основные сведения о металлах и арматурных сталях для железобетонных изделий и конструкций»

Дайте ответы на следующие вопросы:

Перечислите основные свойства металлов, что позволяет их использование в строительстве.
На какие две основные группы делятся металлы?
Какие сплавы относятся к чёрным металлам?
Какое количество углерода содержит сталь?
Сколько углерода содержится в чугуне?
На какие группы делятся цветные металлы? Приведите примеры по каждой группе.
Какие бывают чугуны в зависимости от формы связи углерода? Какими свойствами они отличаются и где используются?
Как получают ковкий чугун, и какими свойствами он обладает?
Для чего применяется высокопрочный чугун?
Что используют при производстве чугуна в доменной печи?
Назовите основные этапы производства чугуна.
Как в промышленности используется чугун?
Как используют шлак для промышленности строительных материалов и что из него производят?
Как классифицируют стали в зависимости от химического состава?
На какие группы делится сталь в зависимости от концентрации углерода?
Как сталь делится в зависимости от содержания легирующих элементов?
Как сталь делят в соответствии с её качеством?
На какие две группы делятся стали по назначению?
Какой сплав является исходным сырьём для производства стали?
Какие способы применяют для производства стали?
В чём заключается кислородно-конвертерный способ производства стали?
Какие примеси входят в состав углеродистой стали?
Какие легирующие элементы входят в состав легированной стали для повышения её качества?
Какие специальные свойства придают легирующие элементы легированным сталям?
Как маркируют углеродистые стали?
Какую систему используют для маркировки легированных сталей?
Назовите физические и механические свойства стали.
Назовите современные методы защиты металла от коррозии.
Перечислите виды арматурных сталей для армирования железобетонных конструкций.
Какие разновидности стержневой арматуры изготавливают для железобетонных конструкций?

Производство

Технология промышленного извлечения железа из железосодержащего сырья и получение чугуна достаточно трудоёмкая и сложная. Нет смысла описывать все химические и технологические процессы и углубляться в терминологию. Изучить вопрос можно при желании в источниках по металлургии.

Чугун выплавляют из магнитного, красного, бурого железняка, на металлургических комбинатах, в специальных доменных печах. Топливом служит кокс, который частично могут заменять мазутом или газом.

Руда проходит предварительную подготовку, прежде чем попасть в доменную печь. Помимо руды и топлива, для плавки используют флюсы – известняки, необходимые для образования шлака и удаления серы из расплава.

Методы подготовки зависят от качества руды – это дробление, сортировка, окусковывание, обогащение и другие.

Пройдя все сложные процессы, руда превращается в шихту, которая непрерывно загружается в доменную печь.

Через фурмы в нижней части подается раскаленный воздух, обогащенный кислородом и природный газ, который сгорает под воздействием высоких температур, образуя диоксид кислорода. Поднимаясь выше, газ соединяется с кислородом и с еще не сгоревшим углеродом, преобразуясь в угарный газ СО. Он вступает в реакцию с оксидами железа, «отбирая» у них кислород.

В результате образуется почти чистый металл. Расплавленная чугунная масса стекает в горн. Несгораемые остатки также стекают вниз.

Готовый чугун сливают через определенные промежутки времени в специальные ковши.

Пока в печи идет процесс плавки, отверстие, через которое выпускают чугун, забивают специальной пробкой из тугоплавкой массы. Чтобы выпустить металл, в пробке пробивают отверстие. По специальным каналам в полу цеха поток расплавленного металла течет «красным сливом».

Жидкий шлак также выпускают из печи по другому каналу.

С каждой плавки берется проба. Металл заливают в специальную форму и делают анализ. Все процессы автоматизированы. За ними следят операторы.

А простому обывателю домна представляется гигантской пробиркой, в которой происходит «таинство» превращения железной руды в чугун.

Маркировка углеродистых сталей

Углеродистые стали обыкновенного качества маркируются символом Ст (сталь) и цифрами от 0 до 6. Цифра указывает на условный номер марки. С повышением номера марки содержание углерода в стали увеличивается, но численное значение не указывает на
его количественное содержание.

Например, для стали Ст0 содержание углерода не боле 0,23 %, Ст3 – 0,14 – 0,22%, Ст6 – 0,38 – 0,49%.

В обозначении марок сталей всех групп вводят цифры от 1до 6, которые характеризуют категорию стали, которая определяется совокупностью механических свойств стали или особенностями ее химического состава. Цифру 1 в сталях первой категории не указывают.

В зависимости от гарантированных свойств, стали делятся на три группы – А, Б и В.

Стали группы А поставляются только с гарантированными механическими свойствами без уточнения их химического состава. Они используются в виде листов и различных профилей без последующей обработки под давлением, сварки или термической обработки.

Стали группы Б – поставляют с гарантированным химическим составом. Их применяют, когда при производстве изделий используется сварка, термическая обработка.

Стали группы В – поставляют с гарантированными механическими и химическим составом. Они обладают повышенным качеством и поставляются по особым требованиям.

Индексы Б и В ставятся перед Ст. Индекс группы А не указывается.

Буква Г указывает на повышенное содержание марганца и ставится после номера марки стали.

Способы раскисления стали обозначаются: кп – кипящая, сп — спокойная, пс – полуспокойная. Ст0 по степени раскисления не разделяют.

Например, Ст2кп – группа А , сталь 3, кипящая, категория 1;

БСт3пс2 – группа Б, сталь 2, полуспокойная, категория 2.

Углеродистые стали применяются для изготовления несущих конструкций, армирования железобетона, устройства кровли, формы железобетонных изделий.

Правильный выбор марки стали обеспечивает экономичный расход металла и успешную работу конструкции.

Для изготовления несущих сварных и клепаных конструкций рекомендуются стали обыкновенного качества группы В следующих марок: ВМСт3кп, ВМСт3пс, ВМСт3сп и ВКСт3кп, ВКСт3пс, ВКСт3сп.

Для конструкций, не имеющих сварных соединений, и для сварных конструкций, воспринимающих лишь статические нагрузки, рекомендуются стали следующих марок: ВМСт4кп, ВМСт4пс, ВМСт4сп и ВМСт5кп, ВМСт5сп, ВМСт5пс и кислородно-конверторные стали тех
же марок.

Для изготовления арматуры используются углеродистые стали марок Ст3 и Ст5 мартеновские и конверторные.

6.5. Производство стали

Исходным сырьем для производства стали является передельный чугун. В нем снижают содержание углерода и примесей путем их окисления и перевода в шлак и газы в процессе плавки с последующим раскислением (удалением из расплавленных металлов растворенного
в них кислорода), после чего и получается сталь.

Для производства стали применяют кислородно-конвертерный, мартеновский и электроплавильный способы.

Кислородно-конвертерный способ производства заключается в продувке жидкого чугуна технически чистым кислородом (99,5%), который подводится сверху конвертера (Рис.6.8). Кислород взаимодействует с железом. Образующийся оксид FeO частично переходит
в шлак, а частично растворяется в металле и окисляет примеси, содержащиеся в чугуне. В результате выгорают марганец, кремний, фосфор, которые всплывают на поверхность и удаляются в виде шлака. Углерод в виде газовых пузырьков поднимается на
поверхность и улетучивается.

После окончания продувки расплав раскисляют, т.е. вводят вещества, которые более энергично реагируют с кислородом. Такие вещества называют раскислителями. К ним относятся кремний, алюминий, марганец. Образующиеся при этом оксиды марганца, кремния
и алюминия удаляются в виде шлаков.

Рис.6.8. Схема устройства конвертера

Чем лучше раскислена сталь, тем меньше она вскипает и тем выше ее механические свойства.

Емкость конвертеров достигает 40 т. Кислород подают сверху под давлением 0,8 – 1,2 Мпа через опущенные в конвертер трубы. Температура в зоне действия кислорода — около 3000 ℃. Продолжительность одной плавки составляет 15-20 мин.

Интересно знать: Конвертерное производство стали

Применение сталей и чугунов

Сталь:

Сталь является одним из самых распространенных и важных материалов в промышленности и строительстве. Ее применение включает:

Строительство: Сталь используется для строительства зданий, мостов, трубопроводов и других инфраструктурных объектов. Она обладает высокой прочностью и устойчивостью к нагрузкам, что делает ее идеальным материалом для конструкций, которые должны выдерживать большие веса и силы.
Автомобильная промышленность: Сталь используется для производства автомобилей и других транспортных средств. Она обладает высокой прочностью, устойчивостью к ударам и износу, что делает ее идеальным материалом для изготовления кузовов, двигателей, рам и других компонентов автомобилей.
Машиностроение: Сталь широко применяется в машиностроении для изготовления различных деталей и механизмов. Она обладает высокой прочностью, твердостью и износостойкостью, что позволяет создавать надежные и долговечные машины и оборудование.
Энергетика: Сталь используется в энергетической промышленности для изготовления трубопроводов, резервуаров, турбин и других компонентов. Она обладает высокой теплопроводностью и устойчивостью к высоким температурам, что делает ее подходящей для работы в условиях высоких нагрузок и температур.

Чугун:

Чугун также имеет широкое применение в различных отраслях промышленности и строительства. Его применение включает:

Литейное производство: Чугун является основным материалом для литейного производства. Он обладает хорошей текучестью и способностью заполнять сложные формы, что делает его идеальным для изготовления слитков, отливок и других изделий.
Строительство: Чугун используется для изготовления столбов, решеток, ограждений и других элементов архитектуры и декора. Он обладает высокой прочностью и устойчивостью к воздействию окружающей среды, что делает его подходящим для использования в наружных условиях.
Машиностроение: Чугун применяется в машиностроении для изготовления деталей, которые должны выдерживать большие нагрузки и трения. Он обладает высокой износостойкостью и амортизационными свойствами, что позволяет создавать надежные и долговечные механизмы.
Трубопроводы и сантехника: Чугунные трубы широко используются в системах водоснабжения, канализации и отопления. Они обладают высокой прочностью, устойчивостью к коррозии и долговечностью, что делает их подходящими для использования в условиях высокого давления и агрессивной среды.

Знание применения сталей и чугунов позволяет выбирать подходящие материалы для конкретных задач и обеспечивать качество и надежность в производстве и эксплуатации изделий.

Инструментальные углеродистые стали

Обозначение и маркировка инструментальных углеродистых сталей

Инструментальный углеродистые стали маркируют в соответствии с ГОСТ 1435-90.

Инструментальные углеродистые стали выпускают следующих марок: У7.У8ГА.У8Г, У9, У 10, У 11, У 12 и У 13. Цифры указывают на содержание углерода в десятых долях процента. Буква Г после цифры означает, что сталь имеет повышенное содержание марганца. Марка инструментальной углеродистой стали высокого качества имеет букву А.

Примеры обозначения и расшифровки

У12 — сталь инструментальная, высокоуглеродистая, содержащая 1,2% углерода, качественная.
У8ГА — сталь инструментальная, высокоуглеродистая, содержащая 0,8% углерода, 1% марганца, высококачественная
У9А — сталь инструментальная, высокоуглеродистая, содержащая 0,9% углерода, высококачественная.

Обозначение и маркировка легированных сталей

Легированные стали маркируются комбинацией цифр и заглавных букв алфавита. В обозначении нет слова «сталь» или символа «Ст». Например, 40Х, 38ХМ10А, 20Х13. Первые две цифры обозначают содержание углерода в сотых долях процента. Следующие буквы являются сокращенным обозначением элемента. Цифры, стоящие после букв, обозначают содержание этого элемента в целых процентах. Если за буквой не стоит цифра, значит содержание этого элемента до 1%.

Таблица 4. — Обозначение элементов марка

Ю-Al Алюминий	C-Si Кремний	А- N Азот
Р-В Бор	Г — Mn Марганец	Д -Cu Медь
Ф-V Ванадий	М-Мо Молибден	Е-Se Селен
В-вольфрам	Н-Ni Никель	Ц-Zr Цирконий
Ж-Fe Железо	T-Ti Титан	Б-Nb Ниобий
К- Co Кобальт	Та — Тантал	Х- хром

Для изготовления измерительных инструментов применяют Х, ХВГ. Стали для штампов: 9Х, Х12М, 3Х2Н8Ф.

Стали для ударного инструмента: 4ХС, 5ХВ2С.

Обозначение быстрорежущих высоколегированными сталей

Все быстрорежущие стали являются высоколегированными. Это стали для оснащения рабочей части резцов, фрез, сверл и т.д.

Маркировка быстрорежущих сталей всегда начинается с буквы Р и числа, показывающего содержание вольфрама в процентах. Наиболее распространенными марками являются Р9, Р18, Р12.

Коррозионностойкие стали. Коррозионностойкой (или нержавеющей) называют сталь, обладающую высокой химической стойкостью в агрессивных средах. Коррозионностойкие стали получают легированием низко- и среднеуглеродистых сталей хромом, никелем, титаном, алюминием, марганцем. Антикоррозионные свойства сталям придают введением в них большого количества хрома или хрома и никеля. Наибольшее распространение получили хромистые и хромоникелевые стали. Например, хромистые стали 95Х18, 30Х13, 08Х17Т. Хромоникелевые нержавеющие имеют большую коррозийную стойкость, чем хромистые стали, обладают повышенной прочностью и хорошей технологичностью в отношении обработки давлением. Например, 12Х18Н10Т, 08Х10Н20Т2.
Жаростойкие оболадают стойкостью против химического разрушения в газовых средах, работающие в слабонагруженном состоянии
Жаропрочные стали — это стали, способные выдерживать механические нагрузки без существенных деформаций при высоких температурах. К числу жаропрочных относят стали, содержащие хром, кремний, молибден, никель и др.
Например, 40Х10С2М, 11Х11Н2В2МФ.
Износостойкие стали, обладающие повышенной стойкостью к износу: шарикоподшипниковые, графитизированные и высокомарганцовистые. Особенности обозначения подшипниковых сталей. Маркировка начинается с буквы Ш, цифра, стоящая после буквы Х, показывает содержание хрома в десятых долях процента. Например, ШХ9, ШХ15ГС.

Примеры обозначения и расшифровки быстрорежущих высоколегированных сталей

40ХГТР — сталь конструкционная, легированная, качественная, содержащая 0,4% углерода и по 1% хрома, марганца, титана, бора, остальное- железо и примеси;
38Х2МЮА — сталь конструкционная, легированная, высококачественная, содержащая 0,38% углерода, 2% % хрома, 1% молибдена, алюминия, остальное- железо и примеси;
ХВГ — сталь конструкционная, легированная, качественная, содержащая 1% углерода и по 1% хрома, марганца, остальное — железо и примеси;
ШХ15 — сталь подшипниковая, инструментальная, качественная, содержащая 1% углерода, 1,5% хрома, остальное-железо;
Р10К5Ф5 — сталь быстрорежущая, инструментальная, качественная, содержащая 1% углерода, 10 % вольфрама, 5% кобальта, 5% ванадия, остальное-железо.

6.3. Производство чугуна

Чугун получают из шихты, состоящей из железной руды, твердого топлива (кокса) и флюса. Эту смесь подвергают термической обработке до температуры 1900° С в доменных печах.

Интересно знать: Доменная печь. Получение чугуна

Железная руда состоит из рудного минерала (оксиды Fe2O3 и Fe2O4), пустой породы, не содержащей железа (известняк, кварцит, песчаник) и примесей. К вредным примесям относятся сера, фосфор, которые ухудшают качество чугуна.

Флюсы – это материалы минерального происхождения, которые вводят в шихту для образования шлака и регулирования его состава. Они способствуют переходу вредных примесей для металла в шлак. По химическому составу различают основные флюсы (известняк),
кислые (кремнезем) и нейтральные (глинозем).

Производство чугуна заключается в следующем: руду измельчают на дробильной установке, промывают, после чего обжигают для удаления вредных примесей. Затем шихта загружается в верхнюю часть печи, а снизу подается горячий воздух (Рис 6.7). Кокс начинает
интенсивно сгорать, образую углекислый газ СО2. В результате горения температура в этой зоне поднимается до 1900℃. По мере продвижения шихты вниз ее температура повышается. Углекислый газ при контакте с раскаленным коксом переходит в оксид
углерода СО. Газовая среда в печи приобретает восстановительные свойства, т.е. способность отнимать от оксидов кислород.

Таким образом, углерод кокса при высоких температурах восстанавливает железную руду до чистого железа. Железо плавится и насыщается углеродом, превращаясь в чугун.

Из шихты восстанавливаются марганец, фосфор и кремний, которые тоже переходят в расплав металла. Расплавленный чугун стекает в нижнюю часть печи, а расплавленный шлак находится сверху чугуна, т.к. более легкий, и предохраняет его от окисления.

Рис. 6.7. Схема доменной печи

Интересно знать: Технология получения чугуна

Более 80% чугуна используют для получения стали, а остальное (около 20%) – для литых чугунных изделий. При доменном производстве на каждую тонну чугуна получают около 0,6 т огненно-жидкого шлака. Шлак – ценное сырье для промышленности строительных
материалов. Из него получают шлакопортландцемент, шлаковую пемзу, шлаковую вату и другие материалы.