Какие химические свойства у 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

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/см3;
• в расплавленном виде – 1,5 кал/см3.

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.

Чугун является соединением железа с углеродом. Среди главных свойств можно выделить массу, форму, объем и размещение графитных примесей. В состоянии термодинамического равновесия строение сплавов железа с углеродами можно описать диаграммой. Во время модифицирования состава изменяется:

• температура эвтектики (оС) Т = 1135 + 5*Si – 35*P – 2*Mn + 4*Cr;
• насыщенность эвтектики углеродом (%) С = 4,3 – 0,3*(Si+P) – 0,04*Ni – 0,07*Cr;
• температура эвтектоидного превращения (оС) T = 723 + 20*Si + 8*Cr – 30*Ni – 10*Cu – 20*Mn;
• насыщенность эвтектоида углеродом (%) C = 0,8 – 0,15*Si – 0,8*Ni – 0,05*(Cr+Mn).

Размещение критических точек зависит от степени нагрева – в случае охлаждения они перемещаются немного вниз. Установлены максимально точные простые формулы для подавляющего числа марок чугуна, не содержащего легирующих компонентов:

• насыщенность эвтектики углеродом C = 4,3 – 0,3*(Si+P);
• насыщенность эвтектоида углеродом C = 0,8 – 0,15*Si.

Воздействие соединений на строение можно увидеть в таблице 1. Коэффициенты, определяющие условное графитизирующее воздействие, можно брать во внимание лишь в случае наличия углерода (C) (около 3 %) и кремния (Si) (около 2 %).

Таблица 1. Ориентировочное влияние элементов на структуру чугуна

Физико-механические свойства

Самые важные показатели физико-механических свойств микроструктуры чугуна можно найти в табл. 2, физических свойств – в табл. 3. Указанный в 3-й табл. удельный вес способен сильно отклоняться в связи с колебаниями объема соединенного углерода и изменениями количества пор. Удельная масса чугуна в момент его плавления равняется 7 ± 0,1 г/см3. При добавлении различных простых примесей она снижается. На указанный в таблице 3 коэффициент теплового расширения влияет строение чугуна.

Сильный невозвратимый прирост объема происходит в случае изменения температуры, при которой в физической системе происходит равновесный фазовый переход. Показатель может достичь 30 %, но зачастую он не превышает 3 % при разогреве до 500 оС. Приросту объема способствуют компоненты, образующие графиты, а мешают – компоненты, образующие карбиды, а также покрытие чугуна методом эмалирования, металлизирования и гальванизации.

Таблица 2. Физические и механические свойства структурных, составляющих нелегированного чугуна

Тепловые свойства

Показатель теплоемкости чугуна конкретного состава можно установить по закону смешения, используя информацию, приведенную в таблице 2. Она может равняться 0,00018 ккал/(г•оС) при преодолении температурой порога фазового перехода, вплоть до температуры плавления. После преодоления температуры плавления – 0,00023 ± 0,00003 ккал/(г·оС). Тепловой эффект при застывании равняется 0,055 ± 0,005 ккал/г, а в случае эвтектоидного распада аустенита обуславливается объемом включенного перлита, и может достигать 0,0215 ± 0,0015 ккал/г при эвтектоидной концентрации 0,8 % Ссв.

Теплоемкость единицы объема этого вещества может использоваться для укрупненных вычислений: для чугуна в твердом состоянии – приблизительно 0,001 ккал/см3·оС, а в жидком состоянии – 0,0015 ккал/см3·оС.

Теплопроводность нельзя установить по закону смешения; указанные в табл. 2 ее показатели для элементов, при росте их размеров в дисперсных системах, понижаются. Типичные показатели теплопроводности указаны в табл. 3. Роль входящих в чугун компонентов в изменении теплопроводности можно увидеть на отклонениях уровня графитизации. Показатели теплопроводности железа снижаются при повышении объема входящих в него различных добавок.

Чугун в расплавленном состоянии имеет теплопроводность около 0,04 кал/см·с·оС.
С использованием укрупненных вычислений, коэффициент теплопроводности чугуна в твердом состоянии приравнивается к его теплопроводности, а в расплавленном состоянии – к 0,3 мм2/с.

Таблица 3. Типичные физические свойства чугуна

Гидродинамические свойства

Показатели абсолютной вязкости можно найти в табл. 4. Вязкости свойственно снижаться при росте доли марганца, а также в случае понижения части серы и добавок неметаллического происхождения, обусловленного температурными показателями.

Снижение показателей вязкости и соотношение абсолютных температур опыта и момента затвердевания находятся в прямой зависимости. Во время перехода температуры начала затвердевания, показатели вязкости стремительно возрастают.

Данные о поверхностном натяжении чугуна для проведения укрупненных вычислений можно взять из таблицы 3. Оно возрастает со снижением доли углерода и стремительно меняется при добавлении в состав компонентов неметаллического происхождения.

Для определения электрических характеристик можно воспользоваться законом Курнакова. Приблизительные величины примесей можно найти в табл. 2, а, конкретно чугуна – в табл. 3. Воздействие входящих компонентов на электрическое сопротивление твердого вещества условно можно разместить в такой последовательности, по убыванию: кремний (Si), марганец (Mn), хром (Cr), никель (Ni), кобальт (Co).

Таблица 4. Коэффициенты вязкости чугуна

Механические свойства

Статистические характеристики. Предел прочности (порог механического напряжения) чугуна можно вычислить качественным путем, исходя из его строения согласно показателям, указанным в таблице 2. Прочность компонентов, входящих в структуру чугуна, растет с повышением их взвешенных размеров в дисперсных системах. На порог механического напряжения наибольшее влияние оказывает строение, численность, объем и расположение графитных составляющих; структура общей массы металла не так важна.

Максимальное уменьшение прочности отмечается при размещении цепочкообразных компонентов графита, делающих структуру металла не такой непрерывной. Максимальные показатели прочности металлу придают сфероидальная структура графита. При увеличении температуры испытательного процесса, порог механического напряжения по большому счету не меняется вплоть до 400 оC (на промежутке от 100 до 200 оC прочность незначительно уменьшается, в пределах 10 – 15 %). После преодоления показателя в 400 оC фиксируется постоянная потеря показателей порога механического напряжения.

Характеристики пластичности обусловлены строением общей массы металла (согласно показателям, приведенным в таблице 2), но еще значительнее – формой графитных примесей. Если форма сфероидальная, то удлинение может доходить до 30 %. В сером чугуне такое удлинение практически никогда не достигает и десятой части процента. Удлинения в обожженном сером чугуне (с ферритным строением) могут составлять приблизительно 1,5 %.

Упругость обуславливается, по большому счету, графитной структурой. Она не меняется в процессе теплового воздействия на чугун, если не вносились изменения в форму графитных примесей. Тесты на изгиб показывают долю упругих деформаций равную 50 – 80 % от всей деформации.

Ползучесть чугуна не стоит путать со случаем роста (необратимого увеличения его объёма). Чугун, в составе которого отсутствуют легирующие компоненты, при нагревании, превышающем 550 оC, характеризуется остаточными деформациями, зависящими от его роста, преобладающими над деформациями, приемлемыми при определении ползучести. Если ее скорость равняется 0,00001 % в час, то за 1 тыс. часов при нагрузке в пределах 3 кг/мм2 серый чугун без легирующих компонентов проявляет устойчивость при температурах в пределах 400 оC, а чугун, содержащий легирующие компоненты – вплоть до 500 оC. Повышения сопротивления ползучести можно добиться у аустенитного чугуна, а также у чугуна с добавкой молибдена или с повышенным наличием никеля и хрома.

?