Свежие комментарии

Ковкий чугун и высокопрочный чугун

Во многих областях чугун просто незаменим, и внедрять его выплавку стоит как можно раньше, тем более что принципиальных сложностей для этого нет практически в любую эпоху.

Обычный серый чугун хорошо подходит для отливки деталей машин и станков, посуды, а благодаря стойкости к перепадам температуры и химической стойкости — для сосудов и труб на химическом производстве.
Основной недостаток серого чугуна состоит в хрупкости, поскольку углерод в нем находится в виде пластинчатых графитовых включений, что способствует росту и распространению трещин.

Но свойства чугуна можно кардинально улучшить, меняя морфологию графита и получая в результате ковкий или высокопрочный чугун.
Для КЧ и ВЧ в первую очередь необходим подходящий состав исходного сплава. Он должен быть низкоуглеродистым (2.5-3.5% C), и содержать минимальные количества серы и фосфора, не более 0.1-0.2%. Кремний и марганец в больших количествах тоже нежелательны. Отличный вариант исходного сырья — древесноугольный чугун из небольшой домны без подогрева воздуха, тем более именно такую домну построить проще всего. Имеет смысл и получение синтетического чугуна науглероживанием кричного железа в тиглях при 1200-1400 градусах — так даже из самой плохой руды вполне можно выплавить металл, свободный от нежелательных примесей.
Для получения ковкого чугуна нужно сначала сделать отливку из белого чугуна, в которой весь углерод находится в форме цементита Fe3C (этому способствует низкое содержание кремния и фосфора, а также быстрое охлаждение отливки). Превращение белого чугуна в ковкий происходит в процессе длительного, в течение 10-25 часов, отжига при 950-1000 градусах (закалка исходного белого чугуна сокращает это время до 5-7 часов за счет образования центров графитизации), при этом цементит распадается и углерод выделяется в виде графита, но не пластинчатой, как в СЧ, а хлопьевидной формы, оказывающей значительно меньшее ослабляющее влияние.

Структура самой железной матрицы зависит от режима дальнейшей обработки — при медленном охлаждении получается перлитный КЧ; если же охладить отливку до 700-750 и выдержать при этой температуре еще несколько часов — ферритный КЧ.
В результате формируется материал с пределом прочности на растяжение около 300-400 МПа и предельным удлинением 12-3% (для ферритных и перлитных КЧ соответственно). По сравнению с 150-200 МПа и <1% , типичных для СЧ, разница колоссальная.
Еще более радикальное улучшение механических свойств чугуна происходит при модифицировании расплавленного чугуна присадками магния, кальция, церия и др. Присадки вводятся в малых количествах, 0.1-0.3%, и служат инициаторами для выделения графита в виде сферических частиц прямо при охлаждении расплава.

Поэтому не нужен длительный отжиг, а свойства получающихся высокопрочных чугунов приближаются к среднеуглеродистым сталям — предел прочности 500 МПа и выше (до 1000 МПа), удлинение 10-20%. К тому же ВЧ хорошо заполняет формы при отливке и имеет маленькую усадку.
И КЧ, и ВЧ могут подвергаться термообработке (закалка, отпуск), что еще больше расширяет область их применимости.

12 комментариев Ковкий чугун и высокопрочный чугун

  • И когда такой чугун начали использовать? Rupertino cannons?

    Стоили втрое дороже обычных, но треть из этой цены была уплата по патенту
    // the high cost of the gun—three times the price of a regular weapon … The guns cost £60 per ton as Rupert received a royalty of £20 per ton

    Тут еще почему-то обкладывают железом

    // Réaumur conducted extensive research on malleable iron in 1720. He discovered that iron castings which were too hard to be worked could be softened by packing them into iron ore or hammer slag and exposing them to high temperature for a number of days.

    Насколько я понимаю, суррогат литой стали? Не такая высокая температура плавления, но и не такой прочный.

    • 4eshirkot

      //И когда такой чугун начали использовать?// ковкий — еще китайцы. А широко внедрили только в XIX в в Европе. Высокопрочный — в середине XX в.
      Пушки Руперта лили из серого чугуна, отжиг в первую очередь для снятия напряжений, и, возможно, для перевода металла в ферритную форму и размельчения графита. Дефекты типа отбела поверхности при этом тоже должны были ликвидироваться, графитизацией как в КЧ. Основная добавка в цене, имхо, это мехобработка наружней прверхности — за счет нее даже при криво установленном литьевом стержне получалался равностенный ствол. Еще лучше отливать без канала, и полностью высверливать центр отливки со всеми литьевыми дефектами.
      //обкладывают железом//
      Не железом, а оксидами железа. Это обратная цементация или адуксирование, опять же использовалась китайцами для массового производства инструментов — лемехов, топоров, ножей и т.д. В заметке про цементацию железа упоминалась в конце.
      ВЧ не просто суррогат стали, с учетом хороших литейных качеств изделия из него могут быть даже лучше стальной отливки.

  • Эрнесто де сырно

    Тема интересная. Из чугуна можно сделать много чего. Но тяжёлая промышленность такая тяжёлая.

    (первая мысоль, из чугуна можно желать отличные пушки).

  • Эрнесто де сырно

    А если развить тему, что ещё можно сделать из чугуна, чтобы было востребованной?
    Посуда? Но тут годится обычный чугун, ковкий особых преимуществ не даёт. Детали машин и механизмов — для внутреннего пользования попаданца. Так и вижу чугунный паровой котел.

    Чугун будет дешевле стали, и изтнего удобно делать литые детали. это главный плюс.

    • 4eshirkot

      //Посуда? Но тут годится обычный чугун, ковкий особых преимуществ не даёт//
      Ковкий чугун тут имеет большие преимущества, он не треснет от случайного удара, а стенки можно делать тоньше.
      Отжиг на ковкий чугун может быть просто вынужденной мерой — низкокремнистый и низкофосфористый чугун застывает в белой форме, очень твердой и хрупкой. Именно поэтому в Европе чугун дрлгое время и не находил применения. Можно или добавить фосфора (костной золы) при выплавке, что улучшит литейные свойства и ухудшит мех. свойства серого чугуна, или выполнить графитизующий отжиг и получить ковкий чугун. Что лучше — зависит от конкретного случая

  • Эрнесто де сырно

    Ножи, топоры и т.п. из ковкого чугуна делать можно?

  • molibden

    Кстати вопрос а будет ли хорошей идеей получать сталь путём прокаливания полос стали с оксидом железа или железной стружкой в тиглеле. Так сказать совместить воедино 3 техпроцесса из последних статей.
    Я знаю что это изврат и проще тот же оксид железа или стружку спекать напрямую с углеродом но тут могут возникнуть проблемы с качеством продукции. Плюс куски углерода могут застрять в крице и ее придется тщательно проковывать.
    А так имея чугун стабильного состава мы можем получить очень стабильные по составу полосы не нуждающиеся в долгой кузнечной обработке. При желании из них можно делать ножи или мечи ну или стволы мушкетов. Можно даже отливать сразу стволы, прокаливать, выпрямлять и протачивать. Должно получится лучше и дешевле чем из крицы.

    • 4eshirkot

      //полос стали с оксидом железа //
      Полос чугуна имелось в виду? Именно сталь с определенным содержанием углерода так получить сложно, сложно контролировать. Мягкое железо можно, но качество вряд ли лучше кричного будет — в металле останутся все примеси, а структура получится зернистой. На стволы вряд ли сойдет, для менее ответственных деталей — вполне.

  • Georgy

    А можно ли легировать чугун калием?

  • Хорошая статья!
    Но тема не раскрыта в принципе — легкий обзор вышел.

  • 4eshirkot

    Ковкий чугун интересно сравнить с бронзой — например, БрО10 (10% олова, примерно из такого сплава пушки отливали) имеет предел прочности при растяжении 215-275 МПа, удлинение 3-10%. Ковкий чугун имеет 290-360 МПа при той же пластичности 7-12%, и заметно легче (7000 вместо 8800 кг/м3).
    Учитывая, что из бронзы делали не только пушки, но и стволы пистолетов и мушкетонов, ковкий и тем более высокопрочный чугун должны вполне подойти для этих же целей.

Leave a Reply

You can use these HTML tags

<a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>