Чугун - Cast iron

Различные образцы чугуна

Стали
Феррит Аустенит Цементит Графитовый Мартенсит
Микроструктуры
Сфероидит Перлит Бейнит Ледебурит Закаленный мартенсит Видманштеттен структуры
Классы
Тигельная сталь Углеродистая сталь Стальная пружина Легированная сталь Мартенситностареющая сталь Нержавеющая сталь Погодостойкая сталь Инструментальная сталь
Другие материалы на основе железа
Чугун Серый чугун Белое железо Ковкий чугун Ковкое железо Кованое железо

Чугун это группа утюг -углерод сплавы с содержанием углерода более 2%.^[1] Его полезность связана с его относительно низкой температурой плавления. Составляющие сплава влияют на его цвет при разрушении: белый чугун имеет карбид примеси, которые позволяют трещинам проходить сквозь них, серый чугун имеет чешуйки графита, которые отклоняют проходящую трещину и инициируют бесчисленное количество новых трещин по мере разрушения материала, и ковкий чугун имеет графитовые «узелки» сферической формы, которые не дают трещине развиваться дальше.

Углерод (C) от 1,8 до 4 мас.%, И кремний (Si) 1–3 мас.%, Являются основными легирующими элементами чугуна. Сплавы железа с более низким содержанием углерода известны как стали.

Чугун имеет тенденцию быть хрупкий, кроме ковкий чугун. Благодаря относительно низкой температуре плавления, хорошей текучести, литье, отлично обрабатываемость, устойчивость к деформации и износостойкость, чугуны стали инженерный материал с широким спектром приложений и используются в трубы, машины и автоматизированная индустрия части, такие как головки цилиндров, блоки цилиндров и коробка передач случаи. Устойчив к повреждениям окисление.

Самые ранние чугунные артефакты датируются V веком до нашей эры и были обнаружены археологи в том, что сейчас Цзянсу в Китае. Чугун использовался в древнем Китае для ведения войны, сельского хозяйства и архитектуры.^[2] В 15 веке чугун стал использоваться для пушек в Бургундия, Франция и в Англии во время Реформация. Количество чугуна, используемого для пушек, требовало крупномасштабного производства.^[3] Первый чугунный мост был построен в 1770-х гг. Авраам Дарби III, и известен как Железный мост в Шропшир, Англия. Чугун также использовался в строительство зданий.

Производство

Чугун производится из чугун, который является продуктом плавки железной руды в доменная печь. Чугун можно производить непосредственно из чугуна или переплавкой. чугун,^[4] часто вместе с значительными количествами железа, стали, известняка, углерода (кокса) и принятием различных мер по удалению нежелательных загрязняющих веществ. Фосфор и сера может выгореть из расплавленного чугуна, но при этом также выгорит углерод, который необходимо заменить. В зависимости от области применения содержание углерода и кремния регулируется до желаемых уровней, которые могут составлять от 2–3,5% и 1–3% соответственно. Если желательно, затем в расплав добавляют другие элементы до того, как будет произведена окончательная форма. Кастинг.

Чугун иногда плавят в особом виде доменная печь известный как купол, но в современных приложениях его чаще плавят в электрических индукционные печи или электродуговые печи.^{[нужна цитата ]} После завершения плавки расплавленный чугун выливают в раздаточную печь или ковш.

Типы

Легирующие элементы

Железо-цементит метастабильная диаграмма

Свойства чугуна изменяются за счет добавления различных легирующих элементов, или легирующие добавки. Следующий на углерод, кремний является наиболее важным легирующим веществом, поскольку вытесняет углерод из раствора. Низкий процент кремния позволяет углероду оставаться в растворе, образуя карбид железа и производя белый чугун. Высокий процент кремния вытесняет углерод из раствора с образованием графита и производства серого чугуна. Другие легирующие добавки, марганец, хром, молибден, титан и ванадий противодействует кремнию, способствует удержанию углерода и образованию этих карбидов. Никель и медь увеличивают прочность и обрабатываемость, но не изменяют количество образующегося графита. Углерод в виде графит делает утюг более мягким, уменьшает усадку, снижает прочность и плотность. Сера, в значительной степени загрязнитель, когда он присутствует, образует сульфид железа, что предотвращает образование графита и увеличивает твердость. Проблема с серой в том, что она делает расплавленный чугун вязким, что вызывает дефекты. Чтобы противостоять воздействию серы, марганец добавляется, потому что две формы в сульфид марганца вместо сульфида железа. Сульфид марганца легче расплава, поэтому он имеет тенденцию всплывать из расплава в шлак. Количество марганца, необходимое для нейтрализации серы, составляет 1,7 × содержание серы + 0,3%. Если добавлено больше этого количества марганца, то карбид марганца формы, что увеличивает твердость и отдыхающий, за исключением серого чугуна, где до 1% марганца увеличивает прочность и плотность.^[5]

Никель является одним из наиболее распространенных легирующих элементов, поскольку он улучшает перлит и структура графита, улучшает ударную вязкость и выравнивает разницу в твердости между толщиной сечения. Хром добавляется в небольших количествах, чтобы уменьшить свободный графит, вызвать охлаждение и поскольку он является мощным карбид стабилизатор; никель часто добавляют вместе. Небольшое количество банка может быть добавлен как заменитель 0,5% хрома. Медь добавляется в ковш или в печь порядка 0,5–2,5% для уменьшения холода, очистки графита и увеличения текучести. Молибден добавляется порядка 0,3–1% для увеличения охлаждения и улучшения структуры графита и перлита; его часто добавляют в сочетании с никелем, медью и хромом для получения высокопрочных чугунов. Титан добавляется как дегазатор и раскислитель, но он также увеличивает текучесть. 0,15–0,5% ванадий добавляется в чугун для стабилизации цементита, увеличения твердости и повышения устойчивости к носить и тепло. 0,1–0,3% цирконий способствует образованию графита, раскислению и увеличению текучести.^[5]

В ковком чугуне плавится, висмут добавляется по шкале 0,002–0,01%, чтобы увеличить количество кремния, которое можно добавить. В белом железе, бор добавлен для помощи в производстве ковкого чугуна; он также снижает эффект огрубления висмута.^[5]

Серый чугун

Пара английского охотничьи собаки, 1576. Эти, с костры, были обычным ранним использованием чугуна, так как в металле требовалась небольшая прочность.

Серый чугун характеризуется своей графитовой микроструктурой, из-за которой изломы материала приобретают серый цвет. Это наиболее часто используемый чугун и наиболее широко используемый литой материал в зависимости от веса. Большинство чугунов имеют химический состав 2,5–4,0% углерода, 1–3% кремния и остальное железо. Серый чугун имеет меньше предел прочности и ударопрочность чем сталь, но это прочность на сжатие сопоставима с низко- и среднеуглеродистой сталью. Эти механические свойства контролируются размером и формой чешуек графита, присутствующими в микроструктуре, и могут быть охарактеризованы в соответствии с руководящими принципами, данными ASTM.^[6]

Белый чугун

Белый чугун имеет белые изломы из-за наличия осадка карбида железа, называемого цементитом. При более низком содержании кремния (графитирующего агента) и более высокой скорости охлаждения углерод в белом чугуне выпадает из расплава в виде метастабильный фаза цементит, Fe₃C, а не графит. Цементит, выпадающий в осадок из расплава, образует относительно крупные частицы. Когда карбид железа выпадает в осадок, он извлекает углерод из исходного расплава, перемещая смесь в сторону той, которая ближе к эвтектике, а оставшаяся фаза представляет собой нижнюю железоуглеродистую фазу. аустенит (который при охлаждении может трансформироваться в мартенсит ). Эти эвтектические карбиды слишком велики, чтобы обеспечить преимущество так называемого дисперсионного твердения (как в некоторых сталях, где гораздо более мелкие выделения цементита могут препятствовать [пластической деформации], затрудняя движение вывихи через матрицу из чистого феррита железа). Скорее, они увеличивают объемную твердость чугуна просто за счет своей очень высокой твердости и значительной объемной доли, так что объемная твердость может быть аппроксимирована правилом смесей. В любом случае они предлагают твердость за счет стойкость. Поскольку карбид составляет значительную часть материала, белый чугун можно с полным основанием отнести к категории металлокерамика. Белый чугун слишком хрупкий для использования во многих конструктивных элементах, но, обладая хорошей твердостью и устойчивостью к истиранию, а также относительно невысокой стоимостью, он находит применение в таких областях, как изнашиваемые поверхности (крыльчатка и спираль ) из шламовые насосы, гильзы и штанга для подъемника в шаровые мельницы и мельницы автогенного помола, шары и кольца в измельчители угля, и зубы экскаватор ковш копания (хотя для этого применения чаще используется литая среднеуглеродистая мартенситная сталь).

Трудно достаточно быстро охладить толстые отливки, чтобы расплав полностью застыл в виде белого чугуна. Тем не менее, быстрое охлаждение можно использовать для затвердевания оболочки из белого чугуна, после чего остаток охлаждается медленнее, образуя сердцевину из серого чугуна. Результирующее приведение, названное охлажденное литье, имеет преимущества твердой поверхности с несколько более жесткой внутренней частью.

Сплавы белого чугуна с высоким содержанием хрома позволяют отливать массивные отливки (например, 10-тонную крыльчатку) в песчаные формы, так как хром снижает скорость охлаждения, необходимую для производства карбидов из материала большей толщины. Хром также производит карбиды с впечатляющей стойкостью к истиранию.^{[нужна цитата ]} Эти высокохромистые сплавы объясняют свою превосходную твердость присутствием карбидов хрома. Основная форма этих карбидов - эвтектическая или первичная M₇C₃ карбиды, где «М» представляет железо или хром и может варьироваться в зависимости от состава сплава. Эвтектические карбиды образуются в виде пучков полых шестиугольных стержней и растут перпендикулярно шестиугольной базисной плоскости. Твердость этих карбидов находится в пределах 1500-1800HV.^[7]

Ковкий чугун

Ковкий чугун начинается с литья из белого чугуна, который затем термически обработанный в течение дня или двух при температуре около 950 ° C (1740 ° F), а затем охлаждали в течение дня или двух. В результате углерод в карбиде железа превращается в графит и феррит плюс углерод (аустенит). Медленный процесс позволяет поверхностное натяжение чтобы сформировать графит в виде сфероидальных частиц, а не хлопьев. Из-за их более низкой соотношение сторон, сфероиды относительно короткие и далеко друг от друга, а поперечное сечение по отношению к распространяющейся трещине или фонон. У них также есть тупые границы, в отличие от чешуек, что устраняет проблемы концентрации напряжений, встречающиеся в сером чугуне. В целом свойства ковкого чугуна больше похожи на свойства ковкого чугуна. мягкая сталь. Существует предел того, насколько большая деталь может быть отлита из ковкого чугуна, поскольку она сделана из белого чугуна.

Ковкий чугун

Разработан в 1948 году, узловатый или же ковкий чугун имеет свой графит в виде очень мелких узелков с графитом в виде концентрических слоев, образующих узелки. В результате свойства высокопрочного чугуна аналогичны свойствам губчатой ​​стали без эффектов концентрации напряжений, которые могли бы вызвать чешуйки графита. Процент присутствующего углерода составляет 3-4%, а процент кремния составляет 1,8-2,8%. Небольшие количества от 0,02 до 0,1%. магний, а всего от 0,02 до 0,04% церий добавленные к этим сплавам замедляют рост выделений графита за счет связывания с краями графитовых плоскостей. Наряду с тщательным контролем других элементов и времени, это позволяет углю отделяться в виде сфероидальных частиц по мере затвердевания материала. Свойства аналогичны ковкому чугуну, но можно отливать детали с большим сечением.

Таблица сравнительных качеств чугунов

История

Чугунный артефакт V века до нашей эры, найденный в Цзянсу, Китай.

В Железный лев Цанчжоу, крупнейшее из сохранившихся чугунных произведений искусства из Китай, 953 г. н.э., Позже Чжоу период

Чугунный дренажный, сливной и вентиляционный трубопровод

Чугунная пластина на рояле

Чугун и кованое железо могут быть непреднамеренно получены при плавке меди с использованием железной руды в качестве флюса.^[9]:47–48

Самые ранние чугунные артефакты относятся к V веку до нашей эры и были обнаружены археологами на территории, которая сейчас является современной. Лухэ, Цзянсу в Китае. Это основано на анализе микроструктуры артефакта.^[2]

Поскольку чугун сравнительно хрупкий, он не подходит для целей, где требуются острые кромки или гибкость. Он прочен при сжатии, но не при растяжении. Чугун был изобретен в Китае в V веке до нашей эры и разливался в формы для изготовления лемехов и горшков, а также оружия и пагод.^[10] Хотя сталь была более желанной, чугун был дешевле и, таким образом, чаще использовался для изготовления орудий в древнем Китае, в то время как кованое железо или сталь использовалась для оружия.^[2] Китайцы разработали метод отжиг чугун, выдерживая горячие отливки в окислительной атмосфере в течение недели или дольше, чтобы сжечь некоторое количество углерода у поверхности, чтобы поверхностный слой не был слишком хрупким.^[11]:43

На западе, где он не был доступен до 15 века, его самые ранние применения включали пушку и выстрел. Генрих VIII инициировал кастинг пушка в Англии. Вскоре английские металлурги использовали доменные печи разработал технику производства чугунных пушек, которые, хотя и были тяжелее обычных бронзовых пушек, были намного дешевле и позволили Англии лучше вооружить свой флот. Технология чугуна была перенесена из Китая. Аль-Казвини в 13 веке и другие путешественники впоследствии отметили железную промышленность в Альбурц Горы к югу от Каспийское море. Это близко к шелковый путь, так что использование технологий, полученных из Китая, возможно.^[12] В железные мастера из Weald продолжал производить чугун до 1760-х годов, а вооружение было одним из основных применений чугуна после Реставрация.

В то время чугунные котлы делали на многих английских домнах. В 1707 г. Авраам Дарби запатентовал новый метод изготовления кастрюль (и чайников) более тонкими и, следовательно, более дешевыми, чем те, которые сделаны традиционными методами. Это означало, что его Coalbrookdale печи стали доминирующими поставщиками горшков, и в 1720-1730-х гг. к ним присоединилось небольшое количество других кокс доменные печи.

Применение паровой машины для приведения в действие взрывных сильфонов (косвенно путем закачки воды в водяное колесо) в Великобритании, начиная с 1743 года и увеличиваясь в 1750-х годах, было ключевым фактором в увеличении производства чугуна, которое резко выросло в следующие десятилетия. В дополнение к преодолению ограничений по мощности воды, дутьевой дом с водяным паром давал более высокие температуры печи, что позволяло использовать более высокие содержания извести, что позволяло переходить с древесного угля, запасы древесины для которого были недостаточными, на кокс.^[13]:122

Чугунные мосты

Использование чугуна в конструкционных целях началось в конце 1770-х годов, когда Авраам Дарби III построен Железный мост, хотя короткие балки уже использовались, например, в доменных печах в Коулбрукдейле. Затем последовали другие изобретения, в том числе одно, запатентованное Томас Пейн. Чугунные мосты стали обычным явлением как Индустриальная революция набрал темп. Томас Телфорд взял материал для своего моста вверх по течению в Buildwas, а затем для Акведук Лонгдон-он-Терн, желоб канала акведук в Лонгдон-он-Терн на Канал Шрусбери. Затем последовал Акведук Чирк и Акведук Понцисилльте, оба из которых продолжают использоваться после недавних реставраций.

Лучше всего использовать чугун для строительства мостов. арки, так что весь материал находится в сжатии. Чугун, как и кладка, очень прочен на сжатие. Кованое железо, как и большинство других видов железа, а также большинство металлов в целом, обладает высокой прочностью на растяжение, а также жесткий - устойчивы к растрескиванию. Отношения между кованым и чугунным железом для структурных целей можно рассматривать как аналог отношений между деревом и камнем.

Мосты с чугунными балками широко использовались на ранних железных дорогах, например, на мосту Уотер-стрит в 1830 г. Манчестер конец Ливерпуль и Манчестер Железнодорожный, но проблемы с его использованием стали слишком очевидны, когда новый мост, несущий Железная дорога Честера и Холихеда через Ривер Ди в Честер рухнул, погибли пять человек в мае 1847 года, менее чем через год после открытия. В Катастрофа ди-бриджа была вызвана чрезмерной нагрузкой в ​​центре балки проезжающим поездом, и многие подобные мосты приходилось сносить и перестраивать, часто в кованое железо. Мост был плохо спроектирован, его связывали ремни из кованого железа, которые, как ошибочно считали, укрепляли конструкцию. Центры балок загибались, нижняя кромка находилась в напряжении, где чугун, как и кирпичная кладка, очень слабый.

Тем не менее, чугун продолжал использоваться несоответствующими конструктивными способами, пока Железнодорожный мост Тай Катастрофа 1879 года заставила серьезно усомниться в использовании материала. Важнейшие проушины для крепления анкерных стержней и распорок на мосту Тай были отлиты за одно целое с колоннами, и они вышли из строя на ранних стадиях аварии. Кроме того, отверстия под болты тоже были отлиты, а не просверлены. Таким образом, из-за угла осадки отливки натяжение стяжек было приложено к краю отверстия, а не распределялось по длине отверстия. Новый мост был построен из кованого железа и стали.

Однако произошли дальнейшие обрушения моста, что привело к Железнодорожная авария на перекрестке Норвуд 1891 года. Тысячи чугунных рельсов. мосты были в конечном итоге заменены стальными аналогами к 1900 году из-за широко распространенной озабоченности по поводу чугуна под мостами на железнодорожной сети в Великобритании.

• 

  Железный мост над Река Северн в Coalbrookdale, Англия (закончен в 1779 г.)

• 

  В Турнирный мост Эглинтон (завершено около 1845 г.), Северный Эйршир, Шотландия, построенный из чугуна

• 

  Оригинальный мост Тай с севера (закончен в 1878 г.)

• 

  Падший мост Тей с севера

Здания

Чугун столбцы, впервые использовавшаяся в строительстве мельничных зданий, позволила архитекторам строить многоэтажные здания без чрезмерно толстых стен, необходимых для каменных зданий любой высоты. Они также открыли производственные площади на заводах и открыли видимость в церквях и аудиториях. К середине 19 века чугунные колонны были обычным явлением в складских и промышленных зданиях в сочетании с коваными или чугунными балками, что в конечном итоге привело к развитию небоскребов со стальным каркасом. Чугун также иногда использовался для декоративных фасадов, особенно в Соединенных Штатах, и Сохо Район Нью-Йорка имеет множество примеров. Он также иногда использовался для законченных сборных домов, таких как исторический Железное здание в Watervliet, Нью-Йорк.

Текстильные фабрики

Другое важное использование было в текстильные фабрики. Воздух на фабриках содержал легковоспламеняющиеся волокна хлопка, конопля, или же шерсть раскручивается. В результате текстильные фабрики имели угрожающую тенденцию сгорать. Решение заключалось в том, чтобы построить их полностью из негорючих материалов, и было сочтено удобным снабдить здание железным каркасом, в основном из чугуна, вместо легковоспламеняющейся древесины. Первое такое здание было на Дизерингтон в Шрусбери, Шропшир.^[14] Многие другие склады были построены с использованием чугунных колонн и балок, хотя неправильная конструкция, дефектные балки или перегрузка иногда вызывали обрушения зданий и структурные разрушения.

Во время промышленной революции чугун также широко использовался для изготовления рам и других неподвижных частей машин, в том числе прядильных, а затем и ткацких станков на текстильных фабриках. Чугун стал широко использоваться, и во многих городах литейные заводы производство промышленной и сельскохозяйственной техники.

Смотрите также

Чугунная вафельница, образец чугунной посуды

• Чугунная архитектура
• Посуда чугунная
• Металлоконструкции — ремесленные изделия из металла: для архитектурных элементов, садовых элементов и декоративных предметов.
• Металлургический завод — место, где обрабатывают железо (в том числе исторические места)
• Meehanite
• Литье в песок
• Стали
• Кованое железо

Рекомендации

дальнейшее чтение

• Гарольд Т. Ангус, Чугун: физико-технические свойства, Баттервортс, Лондон (1976) ISBN  0408706880
• Джон Глоаг и Дерек Бриджуотер, История чугуна в архитектуре, Аллен и Анвин, Лондон (1948)
• Питер Льюис, Красивый железнодорожный мост Серебристого Тая: повторное исследование катастрофы на Тей-Бридж 1879 года, Темпус (2004) ISBN  0-7524-3160-9
• Питер Льюис, Катастрофа на Ди: Немезида Роберта Стивенсона 1847 года, Темпус (2007) ISBN  978-0-7524-4266-2
• Джордж Лэрд, Ричард Гундлах и Клаус Рериг, Справочник по износостойкому чугуну, ASM International (2000) ISBN  0-87433-224-9

внешняя ссылка

• Металлургия чугуна, Кембриджский университет
• Криминалистическая экспертиза: катастрофа на мосту Тэй
• Испанские чугунные мосты