Теплоемкость чугуна и стали

Материал чугун: основные свойства и важные характеристики

Чугун состоит из углерода, железа и некоторых примесей. Это один из главных материалов черной металлургии. Чугун используются при изготовлении предметов быта и коммунального хозяйства, деталей машин и в других отраслях. Его применяют в производстве, ориентируясь и учитывая его свойства и характеристики.

Данная статья как раз и призвана рассказать вам о плотности высокопрочного, жидкого, белого и серого чугуна, его температурах плавления и удельная теплоемкость также будут рассмотрены отдельно.

Тепловые свойства чугуна

У чугуна, как и у любого металла, присутствуют следующие свойства: тепловые, физические, механические, гидродинамические, электрические, технологические, химические. Каждые свойства рассмотрим подробнее.

Это видео рассказывается о структуре и составе чугунных сплавов и зависимости их свойств от определенного состава:

Теплоемкость

Тепловую емкость чугуна определяют с помощью правила смещения. Когда теплоемкость чугуна достигает температурного периода, начало которого начинается с температуры, значение которой больше фазовых превращений и заканчивается на отметке равной температуры плавления, то теплоемкость чугуна принимает значение 0,18 кал/Го С.

Если значение температуры плавления превышает абсолютное значение, то теплоемкость равна 0,23±0,03 кал/Го С. Если происходит процесс затвердения, то тепловой эффект равняется 55±5 кал. Тепловой эффект зависит от количества перлита, когда происходит перлитное превращение. Обычно он принимает значение 21,5±1,5кал/Г.

За величину объемной теплоемкости принимают произведение удельного веса на удельную теплоемкость. Для твердого чугуна эта величина составляет 1 кал/см 3 *ºС, для жидкого – 1,5 кал/см 3 *ºС.

Удельная теплоемкость чугуна и других металлов в виде таблицы

Теплопроводность

В отличие от теплоемкости, теплопроводность не определяется по правилу смещения. Только в случае изменения величины графитизации, на теплопроводность будет влиять состав чугуна.

Температуропроводность

Значение температуропроводности твердого чугуна (при крупных расчетах) может быть принята равной его теплопроводности, а жидкого чугуна – 0, 03 см 2* /сек.

О том, какую чугуны имеют температуру плавления, читайте ниже.

Температура плавления

Чугун плавится при температуре 1200ºС. Это значение температуры ниже температуры плавления стали на 300 градусов. При повышенном содержании углерода, этот химический элемент имеет на молекулярном уровне тесную связь с атомами железа.

В процессе плавления чугуна и его кристаллизации углеродная составляющая не может полностью пронизать структурную решетку железа. Вследствие этого материал чугун примеряет на себя свойство хрупкости. Чугун используют для деталей, от которых требуется повышенная прочность. Однако чугун не применяют при изготовлении предметов, на которые будут действовать постоянные динамические нагрузки.

В таблице ниже указана температура плавления чугуна в сравнении с другими металлами.

Температура плавления чугуна и других металлов

Физические характеристики

Вес материала меняется в зависимости от количества связанного углерода и наличия определенного процента пористости. Удельный вес чугуна при температуре плавления может существенно снижаться в зависимости от наличия в чугуне примесей.

Удельный вес каждого чугуна отличается в зависимости от вида материала. У серого чугуна удельная масса равна 7,1±0,2 г/см 3 , у белого — 7,5±0,2 г/см 3 , у ковкого — 7,3±0,2 г/см 3 .

О некоторых физических свойствах чугуна поведает видео ниже:

Объем чугуна, проходя через температуру фазовых превращений, достигает увеличения в 30%. Однако, при нагреве в 500ºС, объем увеличивается на 3%. Росту помогают графитообразующие элементы. Тормозят рост объема карбидообразующие составляющие. Та же росту препятствует нанесение на поверхность гальванических покрытий.

Содержание углерода обычно составляет не менее 2,14%. Благодаря углеродной доле чугун имеет отличную твердость. Однако пластичность и ковкость материала на этом фоне страдают.

О том, какова плотность чугуна, расскажем ниже.

Плотность описываемого материала, чугуна, равна 7,2 гр/см 3 . Если сравнивать с чугуном другие металлы и сплавы, то это значение плотности достаточно высокое.

Благодаря хорошему значению плотности чугун широко применяют для литья разнообразных деталей в промышленности. По этому свойству чугун совсем незначительно уступает некоторым сталям.

Механические особенности

Предел прочности

Предел прочности чугуна при сжатии зависит от структуры самого материала. Составляющие структуры набирают свою прочность вместе с увеличением уровня дисперсности. На предел прочности оказывают сильное влияние количество, величина, распределение и формаграфитных включений. Предел прочности уменьшается на заметную величину, если графитные включения расположены в виде цепочки. Такое расположение уменьшает сплоченность металлической массы.

Предел прочности достигает максимального значения, когда графит принимает сфероидальную форму. Получается такая форма без влияния температуры, но при включении в чугунную массу церия и магния.

• При повышении температуры плавления до 400ºС, предел прочности не изменяется.
• Если температура поднимается выше этого значения, то предел прочности уменьшается.
• Заметим, что при температуре от 100 до 200ºС предел прочности может снижаться на 10-15%.

Пластичность

Пластичность чугуна в большей степени зависит от формы графита, а так же зависят от структуры металлической массы. Если графитные включения имеют сфероидальную форму, то процент удлинения может достигать 30.

• В обычном чугуне серого вида удлинение достигает только десятой доли.
• В отожженном чугуне серого вида удлинение равно 1,5%.

Упругость зависит от формы графита. Если графитные включения не менялись, а температура повышалась, то упругость остается при том же значении.

Модуль упругости считается условной величиной, так как он имеет относительное значение и прямо зависит от присутствия графитных включений. Модуль упругости снижается, если увеличивается количество графитных включений. Так же модуль упругости возрастает, если форма включений отдалена от глобулярной формы.

Ударная вязкость

Этот показатель отражает динамические свойства материала. Ударная вязкость чугуна повышается:

• когда форма графитных включений приближена к шаровидной;
• когда содержание феррита увеличивается;
• когда уменьшается содержание графита.

Предел выносливости

Предел выносливости чугуна становится больше, когда увеличивается частота нагружений и становится больше предел прочности.

Гидродинамические свойства

Динамическая вязкость

Вязкость становится меньше, если в чугуне увеличивается количество марганца. Так же замечено уменьшение вязкости при снижении содержания серной примеси и прочих неметаллических оставляющих.

На процесс влияет значение температуры. Так вязкость становится меньше при прямопропорциональном отношении двух температур (температура проходящего опыты и начала затвердевания).

Поверхностное натяжение

Это показатель равен 900±100 дин/см 2 . Значение увеличивается при снижении количества углерода и терпит существенные изменения при наличии неметаллических составляющих.

Токсичность

Из чугуна часто изготавливают посуду. Дело в том, что как материал чугун не обладает токсичностью и прекрасно переносит перепады температур.

Электрические характеристики

Электропроводность чугуна оценивают с помощью закона Курнакова. Электросопротивление некоторых видов приведено ниже:

• белый чугун — 70±20 Мк·ои·см.
• серый чугун — 80±40 Мк·ои·см.
• ковкий чугун — 50±20 Мк·ои·см.

Технологические особенности

Жидкотекучесть может быть определенная различными методами. Этот показатель зависит от формы и свойств чугуна.

Жидкотекучесть становится больше, когда:

• увеличивается перегрев;
• уменьшается вязкость;
• становится меньше затвердевание.

Так же жидкотекучесть зависит от теплоты плавления и теплоемкости.

Химические свойства

Сопротивление коррозии материала зависит от внешней среды и его структуры. Если рассматривать чугун со стороны убывающего электродного потенциала, то его составляющие имеют следующее расположение: графит-цементит, фосфидная эвтектика-феррит.

Следует отметить, что разность потенциалов между графитом и ферритом равняется 0,56 В. В случае увеличения дисперсности, сопротивление коррозии становится меньше. При сильном уменьшении дисперсности происходит обратное действие, сопротивление коррозии уменьшается. На сопротивление чугуна так же влияют легирующие элементы.

Влияние примесей на характеристики металла

Промышленный чугун содержит примеси. Эти примеси сильно сказываются на свойствах, характеристиках и структуре чугуна.

• Так, марганец тормозит процесс графитизации. Выделение графита приостанавливается, в результате чугун приобретает способность отбеливаться.
• Сера ухудшает литейные и механические характеристики.
• Сульфиды в основном образуются в сером чугуне.
• Фосфор улучшает литейные свойства, увеличивает износостойкость и повышает твердость. Однако на этом фоне чугун все же остается хрупким.
• Кремний больше всех влияет на структуру материала. В зависимости от количества кремня получаются белый и ферритный чугун.

Для получения определенных характеристик в чугун часто вводят специальные примеси при его изготовлении. Такие материалы получили название легированные чугуны. В зависимости от добавленного элемента чугуны могут называться алюминиевыми, хромистыми, серными. В основном элементы вводят с целю получить износостойкий, жаропрочный, немагнитный и коррозионностойкий материал.

В данном видео будет приведено сравнение свойств чугуна и стали:

инженеров.net — научно-познавательный сайт

Чугун, свойства чугуна

Общие свойства чугуна

Основными составляющими чугуна являются железо и углероды. Свойства чугуна определяются структурой основной металлической массы, формой, количеством и расположением графитных включений. В равновесном состоянии структура железоуглеродистых сплавов определяется диаграммой. При изменении состава меняется:
эвтектическая температура (0С).Т = 1135+5Si — 35P — 2Mn + 4Cr;
концентрация углерода в эвтектике (%) C = 4.3 — 0.3 (Si + P) — 0.04Ni — 0.07Cr;
эвтектоидная температура T. = 723 + 20 Si + 8Cr — 30Ni — 10 Cu — 20 Mn ;
концентрация углерода в эвтектоиде C = 0.8 — 0.15Si — 0.8Ni — 0.05 (Cr + Mn).

Положение критических точек определено при нагреве; при охлаждении точки располагаются ниже. С достаточной точностью для нелегированного чугуна большинства марок применимы упрощенные формулы:
концентрация углерода в эвтектике C = 4.3 — 0.3 (Si + P);
концентрация углерода в эвтектоиде C = 0.8 — 0.15Si.

Влияние элементов на структуру приведено в таблице 1. Коэффициенты, характеризирующие относительное графитизирующие действие, могут быть использованны только при содержаниях углерода (≈ 3%) и кремния (≈2 %).

Физические и механические свойства чугуна

Главнейшие физические и механические свойства структурных составляющих чугуна приведены в таблице 2, а типичные физические свойства чугуна — таблице 3. Приведенный в таблице 3 удельный вес может значительно изменяться в зависимости от количества связанного углерода и наличия пор. Удельный вес жидкого чугуна при температуре его плавления равен 7,0 ± 0,1 Г/см2; он понижается при увеличении содержания обычных примесей. Приведенный в таблице 3 обратимый коэффициент линейного расширения зависит от структуры чугуна.

Необратимое увеличение объема (рост) резко увеличивается при переходе через температуру фазовых превращений и доходит до 30%, но обычно не превосходит 3% при нагреве до 500оС. Увеличению роста благоприятствует графитообразующие элементы, а препятствуют — карбидообразующие элементы и нанесение на поверхность чугуна покрытый (гальванических, методом металлизации, эмалирования).

Тепловые свойства

Теплоемкость чугуна заданной структуры можно определить по правилу смешения, пользуясь данными таблице 2. Теплоемкость чугуна при температурах, превышающих фазовые превращения и до температуры плавления, может быть принята равной 0,18 кал /Го С, а превышающих температуру плавления — равной 0,23 ± 0,03 кал/Го С. Тепловой эффект при затвердевании равен 55 ± 5 кал/Г, а при перлитном превращении зависит от содержания перлита и доходит до 21,5 ± 1,5 кал/Г при эвтектоидной концентрации 0,8% Ссв:

Объемная теплоемкость, равная произведению удельной теплоемкости на удельный вес (кал/см3*оС), может быть принята для укрупненных расчетов: для твердого чугуна около 1 кал/см3*оС, а для жидкого — около 1,5 кал/см3*оС.

Теплопроводность не может быть определена по правилу смешения; приведенная в таблице 2 теплопроводность структурных составляющих по мере увеличения степени их дисперсности уменьшается. Типичная величина теплопроводности чугуна приведена в табл. 3. Влияние состава на теплопроводность сказывается главным образом через изменение степени графитизации. Теплопроводность ?-железа уменьшается при увеличении растворенных в нем примесей.

Теплопроводность жидкого чугуна равна ≈ кал/см*сек*оС.

Температуропроводность может быть принята при укрупненных расчетах для твердого чугуна числено равной его теплопроводности, а для жидкого чугуна равной 0,03 см2/сек.

Гидродинамические свойства

Динамическая вязкость приведена в таблице 4. Вязкость уменьшается при увеличении содержания марганца, а также при уменьшении содержания серы и неметаллических включений в зависимости от температурных условий, вязкость уменьшается приблизительно пропорционально отношению абсолютной температуры опыта к абсолютной температуре начала затвердевания. При переходе температуры начала затвердевания вязкость резко увеличивается.

Поверхностное натяжение для укрупненных расчетов может быть принято по таблице 3. Оно увеличивается с понижением содержания углерода и резко изменяется при наличии неметаллических включений.

Электрические свойства. При оценке электропроводности (электросопротивления) может быть использован закон Н.С. Курнакова. Ориентировочные значения электросопротивления структурных составляющих приведены в таблице 2, типового чугуна — в таблице 3. По ослабевающему действию на измельчение электросопротивления твердого раствора элементы могут быть расположены в ряд: кремний, марганец, хром, никель, кобальт.

Механические свойства

Статистические свойства. Предел прочности при растяжении чугуна может быть качественно оценен по его структуре в соответствии с данными, приведенными в таблице 2. Прочность структурных составляющих увеличивается по мере увеличения степени их дисперсности. Форма, количество, величина и распределение графитных включений оказывают на предел прочности большее влиянии, чем структура основной металлической массы. Наиболее заметное снижение прочности наблюдается при расположении графитных включений в виде цепочки, прерывающей сплошность металлической массы. Наибольшая прочность достигается при сфероидальной форме графита. Она достигается в чугуне без тепловой обработки при прибавлении в определенных магниях и церия. В таблице 5 приведены соотношения прочностных показателей чугуна. С повышением температуры испытания предел прочности остается практически постоянным до 400о С (в интервале 100-200о С имеет место снижения прочности, не превышающее 10-15%). При нагреве выше 400о С наблюдается непрерывное падение предел прочности.

Пластические свойства зависят от структуры основной металлической массы (в соответствии с данными таблице 2), но еще в значительно большей степени — от формы графитных включений. При сфероидальной форме последних удлинении может достигать 30%. В обычном сером чугуне оно редко превышает десятые доли процента; в отожженном сером чугуне (ферритная структура) удлинение достигает

Упругие свойства зависят в основном от формы графита; они не изменяются при тепловой обработке чугуна, если при этом не изменилась форма графитных включений. При испытаниях на изгиб упругие деформации составляют 50-80% от общей деформации.

Ползучесть чугуна следует отличать от явлений роста. В нелегированном чугуне при нагреве до температуры свыше 550о С остаточные деформации, связанные с явлением роста, превышают деформации, допустимые при оценке ползучести. При скорости ползучести 1 · 10 — 5 % в час за 1000ч нагрузка около 3 кГ/мм2 выдерживается нелегированным серым чугуном при температуре около 400о С, а легированным чугуном при температуре до 500о С. Увеличение сопротивления ползучести достигается у чугуна с аустенитной структурой и у чугуна с присадкой молибдена или с увеличенным содержанием никеля и хрома.

Модуль упругости чугуна из-за наличия графитных включений имеет только относительное значение, поэтому правильнее считать его условной величиной. Модуль упругости чугуна не зависит от структуры основной металлической массы и определяется количеством и формой графитных включений: он падает с увеличением количества графитных включений и с отдалением их формы от глобулярной.

Динамические свойства. Ударная вязкость недостаточно верно отражает динамические свойства чугуна. Ударная вязкость увеличивается при увеличении содержания феррита и при уменьшении содержания графита, а также при приближении формы графитных включений к шаровидной. Для ориентировочных расчетов могут быть приняты следующие значения ан надрезанных образцов сечением 1,0 см2: и выраженные в долях от предела прочности, приведены в таблице 5. При асимметричном цикле нагружений предел выносливости проходит через максимум при увеличении сжимающих напряжений. Предел выносливости увеличивается при увеличении предела прочности и частоты нагружений.

Технологические свойства

Жидкотекучесть зависит от свойств металла и формы: она может быть определена разными методами. Чаще всего, жидкотекучесть, определяемая длиной L заполненной пробы, увеличивается при уменьшении вязкости, увеличении перегрева (при этом большое влияние жидкотекучесть оказывает перегрев выше температуры начала затвердевания), уменьшении интервала затвердевания (наибольшая жидкотекучесть наблюдается при эвтектическом составе) и зависит от скрытой теплоты плавления q и теплоемкости с, отнесенных к единице объема.

Химические свойства

Сопротивление коррозии зависит от структуры чугуна и от внешней среды (ее состав, температура, а также ее движения). По убывающему электродному потенциалу структурные составляющие чугуна могут быть расположены в такой последовательности: графит (наиболее стойкий) — цементит, фосфидная эвтектика — феррит. Разность потенциалов между ферритом и графитом составляет 0,56 в. Сопротивление коррозии уменьшается по мере увеличения степени дисперсности структурных составляющих. Однако чрезмерное уменьшение степени дисперсности графита также снижает сопротивление коррозии. Легирующие элементы влияют на сопротивление чугуна коррозии в соответствии с их влиянием на структуру. Повышенное сопротивление коррозии наблюдается у чугунных отливок с сохранившейся литейной коркой. Скорость коррозии по отношению к разным средам приведена в таблицах 7, 8 и 9.

Таблица 1. Ориентировочное влияние элементов на структуру чугуна.

Свойства чугуна

Люди научились получать чугун еще несколько веков назад, и по сей день он остается одним из наиболее востребованных материалов. Уникальные свойства чугуна позволяют использовать его в быту и в самых разных сферах деятельности. Так чем же примечателен этот металл, и почему он так популярен?

Общее описание

Чугунные сплавы, как и стальные, состоят из железа и углерода. Функция углерода, в данном случае, заключается в придании металлу твердости и прочности. Но в отличие от стали, содержащей не более 2% углерода, чугунные сплавы им более насыщены. Максимальное содержание углерода в чугуне может достигать 6%. Но на практике используются соединения, содержащие 3%-3,5% этого вещества.

Благодаря насыщению углеродом этот сплав обретает высокую прочность и твердость. Но эти же качества придают чугуну хрупкость. Чугунные изделия не выдерживают ударных нагрузок. При ударах они трескаются. Поэтому этот металл не поддается никаким видам обработки, кроме литья. Все изделия, включая детали для машин, посуду и предметы интерьера, отливаются.

Виды сплавов

Углерод в чугунах может содержаться в двух видах:

• в виде цементита – химического соединения;
• в виде графита – природного минерала, являющегося аналогом углерода.

Цементит придает сплаву белый цвет, а графит – серый. За счет такой особенности выделяют две разновидности чугунов – белый и серый. Серый чугун содержит крупные включения графита, которые значительно повышают его хрупкость.

Применение белой разновидности очень ограничено. Из-за чрезмерной твердости и хрупкости он плохо поддается резке. Поэтому чаще всего его используют для создания поверхностного слоя, требующего повышенной твердости. Также из белого чугунного соединения отливают шары, предназначенные для перемалывания промышленного сырья.

Графит добавляет материалу пластичности. Но серая разновидность содержит больше вредных примесей в виде серы и фосфора, от которых не удается избавиться в процессе производства.

С целью повышения пластичности чугуна и снижения его хрупкости в сплавы добавляют магний и церий. С помощью эти веществ удается изменить форму графита и, соответственно, устранить хрупкость металла. В результате производители получают высокопрочный чугун, качество которого не уступает стали.

Также современные методы производства позволяют получить ковкий чугун и легированный. Название первой модификации не указывает на возможность обработки металла методом ковки. Оно лишь указывает на высокую прочность, пластичность и вязкость сплава.

Легирующие соединения обладают улучшенными свойствами, так как в их состав вводятся легирующие компоненты, оказывающие положительное влияние на структуру, форму и размеры включений углерода.

Химический состав

Химической формулы чугуна не существует, так как это не отдельное вещество, а сплав двух и более веществ. В состав чугуна входят следующие компоненты:

• железо (Fe) – основа сплава;
• углерод (C);
• кремний (Si);
• марганец (Mn);
• фосфор (P);
• сера (S);
• хром (Cr);
• никель (Ni);
• молибден (Mo).

Железо и углерод – это основные компоненты сплава.

Кремний – второй по важности элемент после углерода. Он увеличивает жидкотекучесть, делая материал более мягким. За счет добавления кремния удается улучшить его литейные качества. Марганец повышает прочность сплава.

Сера и фосфор – вредные примеси, от которых не удается избавиться в процессе производства. Увеличение содержания серы и фосфора ухудшает жидкотекучесть металла и приводит к образованию трещин в отливках.

Остальные компоненты добавляются с целью придания металлу большей прочности, износостойкости, жаропрочности. Они повышают устойчивость материала к сухой и влажной коррозии, а также к воздействию агрессивных сред.

Количество легирующих компонентов определяет степень легированности чугуна. В зависимости от этих показателей выделяют следующие виды чугунных сплавов:

• низколегированные, в которых содержится не более 2,5% дополнительных компонентов;
• среднелегированные (не более 10%);
• высоколегированные (более 10%).

Хотя стоимость легированных чугунных соединений значительно ниже, чем у нержавеющих сталей, изделия из них получаются прочными и качественными.

Физико-механические свойства

От 17000 для высокопрочных

Улучшение физических свойств чугуна достигается за счет добавления ванадия и молибдена. Увеличить прочность позволяют марганец и кремний. Хотя количество каждой примеси в сплаве не превышает 1%, за счет их добавления удается увеличить вязкость сплава, уменьшив его хрупкость.

Плотность чугуна в кг/м3 колеблется в пределах 6600-7800. То есть он легче стали, но значительно прочнее. Этот фактор объясняется его твердостью, которая всего на 2,5 балла ниже, чем у алмаза.

Тепловые свойства

Свойства чугуна при нагревании изменяются. Тепловые характеристики зависят от состава сплава. Показатель теплоемкости зависит от наличия легирующих компонентов, а также интенсивности нагрева материала – чем она выше, тем больше теплоемкость. Удельная теплоемкость чугуна соответствует следующим значениям:

• в твердом состоянии – 1 кал/см 3 ;
• в расплавленном виде – 1,5 кал/см 3 .

Теплопроводность определяет, насколько материал способен проводить тепло. Значение этого показателя зависит не только от того, какие компоненты входят в состав чугуна в процентах, но и от структуры самого сплава. Для твердого материала он гораздо выше, чем для расплавленного, и варьируется в пределах 0,08-0,13 кал/см3.

Гидродинамические свойства

В зависимости от того, сколько углерода в чугуне, его вязкость может снижаться или увеличиваться. Уменьшить показатели вязкости удается за счет увеличения процентного содержания марганца, уменьшения части серы и добавления компонентов неметаллического происхождения. Вязкость увеличивается, когда температура сплава переходит в точку затвердевания.

Химические свойства

К химическим свойствам относятся способность металла к окислению и его способность сопротивляться коррозии. Для определения каждого из этих показателей огромное значение имеет то, из чего состоит чугун.

Его окисление происходит под действием кислорода и углекислого газа. Уменьшить процесс окисления при заливке сплава позволяет обработка соединениями, содержащими литий.

Степень окисления имеет огромное значение в процессе сцепление металла с грунтом. В этот момент на поверхности металла образуется окисная пленка. А при значительной степени окисления образуется легкоотделяемый слой окалины, который значительно ухудшает сцепление.

Процесс окисления чугунных соединений с шаровидным графитом происходит по-другому. Образующаяся на его поверхности пленка полностью изолирует в металлической основе включения водорода друг от друга и прекращает доступ окислителя вовнутрь сплава.

Чугун подвержен избирательной коррозии (графитации), при которой частично удаляются основные металлические фазы, а на их месте остаются графит, феррит и губчатая масса. При этом получившийся графитный слой впоследствии препятствует дальнейшей коррозии.

Степень сопротивления коррозии зависит от химического состава чугуна. Легирующие компоненты оказывают положительное влияние на структуру сплава и способны повышать сопротивляемость к коррозии. Процентное содержание углерода в чугуне не оказывает влияния на его коррозийную стойкость.

В таблице приведены примерные сведения о скорости коррозии чугуна в разных агрессивных средах.

При какой температуре происходит плавление чугуна

На сегодняшний день чугун считается одни из самых распространённых металлов. Из него изготавливаются детали для техники и промышленного оборудования, строительные материалы и многое другое. Прежде чем заниматься литьем необходимо знать температуру плавления чугуна.

Виды чугуна

Существует несколько видов чугуна. В него добавляют различные легирующие примеси, которые изменяют характеристики цельного материала. Для этого используют алюминий, хром, ванадий или никель. В дополнение к ним идут и другие примеси. Параметры готовых изделий напрямую зависят от состава сплава. Разновидности:

• Серый чугун. Считается самым популярным видом. В составе содержится 2,5% углерода, который представляет собой частицу графита или перлита. Обладает высоким показателем прочности. Из серого чугуна делают детали, выдерживающие постоянные нагрузки. Это могут быть зубчатые шестерни, детали корпусов, втулки.
• Белый чугун. Углерод, содержащийся в составе, представляет собой частицы карбида. На изломе материала остаётся белый след, что соответствует названию. Содержание углерода в среднем более 3%. Хрупкая и ломкая разновидность материала, из-за чего его используют только в статических деталях.
• Половинчатый. Объединяет в себе характеристики двух предыдущих видов чугуна. Частицы графита и карбида насыщают металл углеродом. Его содержание от 3,5 до 4,2%. Износоустойчивый материал, который используется в машиностроении. Выдерживает постоянное трение.
• Ковкий чугун. Получается из второй разновидности материала, после проведения отжига. Сплав содержит углерод в виде частиц феррита. Его количество — около 3,5%. Как и половинчатый используется для изготовления деталей в машиностроении.

Чтобы получить высокопрочный материал, частицы графита подвергают обработке, чтобы они приняли шаровидную форму и заполнили кристаллическую решётку. В сплав добавляют магний, кальций или церий.

Тепловые свойства чугуна

Характеристики металла зависят от его тепловых свойств. Они меняются при обработке высокими и низкими температурами. Напрямую зависят от состава сплава.

Теплоемкость

Теплоемкость — обработка металла теплом. Нагревается до тех пор, пока температура заготовки не поднимется на один Кельвин. Этот показатель зависит от наличия дополнительных компонентов в сплаве и температуры. Если она высокая, то и теплоемкость будет больше. Средние показатели теплоемкости:

• Твердый металл — 1 кал/см3Г.
• Расплавленные материал — 1,5 кал/см3Г.

Из этих показателей высчитывается соотношение теплоемкости и объема вещества.

Теплопроводность

Этот параметр определяет насколько хорошо материал может проводить теплоэнергию. Зависит не только от компонентов в составе сплава, но и структуры металла. Теплопроводность для твердого материала выше, чем для расплавленного. У разных марок стали этот показатель варьируется в пределах 0.08–0.13 кал/см сек оС.

Температуропроводность

Эта физическая величина отображает способность материла изменять температуру тела. При расчёте требуется учитывать такие показатели:

• Диапазон теплопроводности для разных марок чугуна. Применимо к твердому материалу.
• Для жидкого металла — 0.03 см2/сек.

Дополнительно учитывается показатель теплоемкости.

Температура плавления

Чугун считается лучшим металлом для плавки. Высокий показатель жидкотекучести и низкий усадки позволяют эффективнее использовать его при литье. Ниже будут приведены показатели температуры кипения для разных видов этого металла в градусах Цельсия:

• Серый чугун — температура плавления достигает 1260 градусов. При заливке в формы поднимается до 1400.
• Белый — плавится при 1350 градусах. Заливается в формы при 1450.

Показатели плавления чугуна на 400 градусов ниже, чем у стали. Это снижает затраты энергии при обработке чугуна.

Влияние химических элементов на свойства металла

Чтобы понимать, как влияют примеси на характеристики и свойства чугуна, необходимо разобраться со структурой его отдельных видов:

• Белый — форма углерода в этой разновидности представляет собой карбид. На изломе виднеется белый цвет. Считается хрупким и ломким материалом, который редко используется в промышленности без добавок.
• Серый чугун. Пластинки графита в этом материале насыщают его углеродом. Чтобы использовать материал при производстве деталей для промышленного оборудования, изменяется форма зерен с помощью плавки.
• Ковкий — графитные зерна в этой разновидности металла имеют вид хлопьев.

Высокопрочный чугун получается после добавления в сплав магния. Чтобы улучшить характеристики этого металла, используются примеси.

Каждая примесь, добавляемая к железу и углероду, изменяет свойства готового материала. Влияние добавок на качество чугуна:

• Магний. Позволяет сделать шаровидные зерна в материале. Это увеличивает показатели прочности и твердости заготовки.
• Марганец. Замедляет процесс графитизации. Металл белее на изломах.
• Кремний. Увеличивает графитизацию материала. Максимальное количество кремния в заготовке — 3,5%. От его количества зависит показатель прочности.
• Сера. Количество этой примеси снижается для улучшения жидкотекучести.
• Фосфор. Практически не влияет на процесс графитизации. Улучшает жидкотекучесть. При добавлении фосфора в сплав, улучшается износоустойчивость и прочность.

В чугун могут добавляться легированные материалы.

Технология самостоятельной плавки

Зная при какой температуре плавится чугун, можно провести самостоятельную плавку. Однако это затратный и трудоемкий процесс. Сделать качественную отливку без специального оборудования невозможно.

В первую очередь, требуется оборудовать отдельное помещение, в котором будет хорошая вентиляция. Процесс плавки производится в печи. Лучший вариант — доменная печь. С ее помощью можно перерабатывать большие объемы расходного материала (железорудного сырья). Используемое топливо — кокс. Однако это промышленно оборудование, которое требуется особых условий использования.

В собственных мастерских используются индукционные печи. Расплавляется сырьё в тиглях. В процессе плавки необходимо использовать флюс, благодаря которому образуется легкоплавкий шлак. Когда металл расплавлен, мастер переливает его в формы из песка или металла.

Температура плавления чугуна незначительно изменяется в зависимости от вида материала и содержащихся в нём примесей. В домашних условиях крайне сложно обрабатывать этот металл. Требуется оборудовать помещение, позаботиться о вентиляции и пожаробезопасности. После подготовки установить печь и другие приспособления для плавки.

Пожалуйста поддержите канал: ставьте лайки, делайте репосты, а мы будем размещать для Вас полезную информацию о металлах!
Так же Вы можете посетить наш информационный сайт всё о металлах и обработке .

Теплоемкость чугуна и стали

Температура плавления химически чистого железа составляет 1539 о С. Технически чистое железо, полученное в результате окислительного рафинирования, содержит некоторое количество растворенного в металле кислорода. По этой причине температура его плавления понижается до 1530 о С.

Температура плавления стали всегда ниже температуры плавления железа в связи с наличием в ней примесей. Растворенные в железе металлы (Mn, Cr, Ni. Co, Mo, V и др.) понижают температуру плавления металла на 1 – 3 о С на 1% введенного элемента, а элементы из группы металлоидов (C, O, S, P и др.) на 30 – 80 о С.

На протяжении большей части общей продолжительности плавки температура плавления металла изменяется главным образом в результате изменения содержания углерода. При концентрации углерода 0,1 – 1,2%, которая характерна для доводки плавки в сталеплавильных агрегатах, температуру плавления металла с достаточной для практических целей точностью можно оценить из уравнения

Теплота плавления железа составляет 15200 Дж/моль или 271,7 кДж/кг.

Температура кипения железа в изданиях последних лет приводится равной 2735 о С. Однако, опубликованы результаты исследований, согласно которым температура кипения железа значительно выше (до 3230 о С).

Теплота испарения железа составляет 352,5 кДж/моль или 6300 кДж/кг.

Давление насыщенного пара железа (P_Fe, Па) можно оценить при помощи уравнения

где Т – температура металла, К.

Результаты расчета давления насыщенного пара железа при различных температурах, а также содержания пыли в окислительной газовой фазе над металлом (X, г/м 3 ) представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 – Давление насыщенного пара железа и запыленность газов при разных температурах

Согласно существующим санитарным нормам содержание пыли в газах, которые выбрасываются в атмосферу, не должно превышать 0,1 г/м 3 . Из данных таблицы 1.1 видно, что при 1600 о С запыленность газов над открытой поверхностью металла выше допустимых значений. Поэтому обязательно требуется очистка газов от пыли, состоящей в основном из оксидов железа.

Динамическая вязкость. Коэффициент динамической вязкости жидкости () определяется из соотношения

где F – сила взаимодействия двух движущихся слоев, Н;

S – площадь соприкосновения слоев, м 2 ;

– градиент скорости слоев жидкости по нормали к направлению потока, с -1 .

Динамическая вязкость сплавов железа обычно изменяется в пределах 0,001 – 0,005 Па•с. Ее величина зависит от температуры и содержания примесей, главным образом углерода. При перегреве металла над температурой плавления выше 25 – 30 о С влияние температуры не существенно.

Кинематическая вязкость жидкости представляет собой скорость передачи импульса в потоке единичной массы. Ее величина определяется из уравнения

где – плотность жидкости, кг/м 3 .

Величина динамической вязкости жидкого железа близка к 6•10 -7 м 2 /с.

Плотность железа при 1550 – 1650 о С равна 6700 – 6800 кг/м 3 . При температуре кристаллизации плотность жидкого металла близка к 6850 кг/м 3 . Плотность твердого железа при температуре кристаллизации равна 7450 кг/м 3 , при комнатной температуре – 7800 кг/м 3 .

Из обычных примесей наибольшее влияние на плотность расплавов железа оказывают углерод и кремний, понижая ее. Поэтому обычного состава жидкий чугун имеет плотность 6200 – 6400 кг/м 3 , твердый при комнатной температуре – 7000 – 7200 кг/м 3 .

Плотность жидкой и твердой стали занимает промежуточное положение между плотностями железа и чугуна и составляет соответственно 6500 – 6600 и 7500 – 7600 кг/м 3 .

Удельная теплоемкость жидкого металла практически не зависит от температуры. В оценочных расчетах величину ее можно принимать равной 0,88 кДж/(кг•К) для чугуна и 0,84 кДж/(кг•К) для стали.

Поверхностное натяжение железа имеет максимальное значение при температуре около 1550 о С. В области более высоких и низких температур величина его уменьшается. Это отличает железо от большинства металлов, для которых характерно понижение поверхностного натяжения при повышении температуры.

Поверхностное натяжение жидких сплавов железа существенно меняется в зависимости от химического состава и температуры. Обычно оно изменяется в пределах 1000 – 1800 мДж/м 2 (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 – Влияние примесей на величину поверхностного натяжения сплавов железа

Растворимость. Весьма ограниченную растворимость в жидком и твердом железе имеют щелочные (Li, Na, K, Rb, Cs) и щелочноземельные (Mg, Ca, Ba, Sr) металлы. Кроме того практически нерастворимыми являются Ag, Cd и Bi.

К числу металлов, имеющих неограниченную растворимость в железе, относятся Mn, Ni, Co, Cu, Al, Sb, Ce и все редкоземельные металлы.

Ограниченной растворимостью в железе обладают Cr, V, Mo, W, Ti, Zr, Pb, Sn, Pt и др. Но при высоких температурах все металлы этой группы, кроме Pb и Sn, растворяются в расплавах железа в неограниченных количествах.