Чем отличается серый чугун от белого

В числе самых распространенных видов чугуна — серый и белый. Что представляет собой каждый из них?

Что представляет собой серый чугун?

Соответствующий тип чугуна относится к самым распространенным в сфере машиностроения. Данный металл характеризуется наличием в шлифе графита пластинчатой формы. Его содержание в сером чугуне может быть разным. Чем оно больше, тем более темным становится металл на изломе, а также тем мягче чугун. Отливки из рассматриваемого типа металла могут выпускаться любой толщины.

Основные особенности серого чугуна:

  1. минимальное относительное удлинение — как правило, не превышающее 0,5 %;
  2. невысокая ударная вязкость;
  3. низкая пластичность.

В сером чугуне имеется небольшой процент связанного углерода — не более 0,5 %. Оставшаяся часть углерода представлена в виде графита — то есть в свободном состоянии. Серый чугун может выпускаться на перлитной, ферритной, а также смешанной — феррито-перлитной — основе. В рассматриваемом металле, как правило, присутствует значительный процент кремния.

Серый чугун достаточно легко поддается обработке посредством режущих инструментов. Данный металл используется при отливе изделий, которые оптимальны с точки зрения сопротивления сжатию. Например, различных опорных элементов, батарей, водопроводных труб. Распространено применение серого чугуна и в машиностроении — чаще всего при изготовлении деталей, для которых не характерны ударные нагрузки. Например, корпусов для станков.

Что представляет собой белый чугун?

Данный тип чугуна характеризуется наличием углерода, который практически полностью представлен в структуре металла в связанном состоянии. Рассматриваемый металл — твердый и в то же время достаточно хрупкий. Он устойчив к коррозии, износу, температурному воздействию. Белый чугун довольно трудно поддается обработке посредством ручных инструментов. На изломе этот металл имеет светлый оттенок, лучистую структуру.

Основная сфера применения белого чугуна — последующая переработка. Как правило, он переделывается в сталь, во многих случаях — как раз таки в серый чугун. В промышленности его применение не слишком распространено по причине хрупкости и трудности обработки.

Процента кремния в белом чугуне существенно меньше, чем в сером. В рассматриваемом металле также может быть более высокая концентрация марганца и фосфора (отметим, что во многом их наличие предопределяется химическим составом руды, из которой выплавляется чугун). Собственно, увеличение количества кремния в металле сопровождается сокращением объема связанного углерода в его структуре.

Сравнение

Основное отличие серого чугуна от белого в том, что в первом имеется небольшой процент связанного углерода, во втором — наоборот, присутствует главным образом связанный углерод. Данная особенность предопределяет разницу между рассматриваемыми металлами в аспекте:

  • твердости;
  • цвета на изломе;
  • устойчивости к износу;
  • хрупкости;
  • обрабатываемости ручным инструментом;
  • сферы применения;
  • процента связанного и свободного углерода;
  • процента кремния, марганца, фосфора.

Более наглядно изучить то, в чем разница между серым и белым чугуном заключается в указанных аспектах, нам поможет небольшая таблица.

Читайте также:  Способы контроля качества сварных швов

Феррит (твёрдый раствор внедрения C в α-железе с объемно-центрированной кубической решеткой)
Аустенит (твёрдый раствор внедрения C в γ-железе с гранецентрированной кубической решеткой)
Цементит (карбид железа; Fe3C метастабильная высокоуглеродистая фаза)
Графит стабильная высокоуглеродистая фаза

Ледебурит (эвтектическая смесь кристаллов цементита и аустенита, превращающегося при охлаждении в перлит)
Мартенсит (сильно пересыщенный твёрдый раствор углерода в α-железе с объемно-центрированной тетрагональной решеткой)
Перлит (эвтектоидная смесь, состоящая из тонких чередующихся пластинок феррита и цементита)
Сорбит (дисперсный перлит)
Троостит (высокодисперсный перлит)
Бейнит (устар: игольчатый троостит) — ультрадисперсная смесь кристаллов низкоуглеродистого мартенсита и карбидов железа

Белый чугун (хрупкий, содержит ледебурит и не содержит графит)
Серый чугун (графит в форме пластин)
Ковкий чугун (графит в хлопьях)
Высокопрочный чугун (графит в форме сфероидов)
Половинчатый чугун (содержит и графит, и ледебурит)

Чугу́н — сплав железа с углеродом (и другими элементами), в котором содержание углерода не менее 2,14 % (точка предельной растворимости углерода в аустените на диаграмме состояний), а сплавы с содержанием углерода менее 2,14 % называются сталью. Углерод придаёт сплавам железа твёрдость, снижая пластичность и вязкость. Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита и графита. В зависимости от формы графита и количества цементита, выделяют белый, серый, ковкий и высокопрочный чугуны. Чугуны содержат постоянные примеси (Si, Mn, S, P), а в некоторых случаях также легирующие элементы (Cr, Ni, V, Al и другие). Как правило, чугун хрупок.

Выплавляется чугун, как правило, в доменных печах. Температура плавления чугуна — от 1150 до 1200 °C, то есть примерно на 300 °C ниже, чем у чистого железа.

Содержание

Этимология [ править | править код ]

В русском языке слово чугун имеет тюркское происхождение, в тюркских же языках термин, вероятно, от кит. трад. 鑄 , пиньинь: zhù, палл.: чжу, буквально: «лить; отливать (металл)» и кит. трад. 工 , пиньинь: gōng, палл.: гун, буквально: «дело» [1] . Это связано с тем, что чугун представлял собой железный сплав низкой плавки. В финском языке чугун обозначается словом Valurauta, которое имеет два корня и переводится как литое железо (rauta).

История [ править | править код ]

Технологию литья чугуна освоили в Китае, откуда этот термин (через татаро-монгольское посредничество) попал в Россию [1] . В X веке в Китае появляются чугунные монеты, однако в широком применении вплоть до XIX века оставались бронзовые монеты [2] . В XI веке был возведен чугунный шпиль пагоды Линсяо. XIV веком датируют находки чугунных котлов Золотой Орды (Тульская область) [3] , однако на территории Монголии (Каракорум) монголы умели изготовлять чугунные котлы ещё в XIII веке [4] .

В 1339 году (в годы Столетней войны) при обороне французского города Камбре уже использовались чугунные пушки наряду с бронзовыми. В 1403 году в Китае (Пекин) был отлит чугунный колокол [5] . C 1411 года англичане начинают вооружать чугунными пушками свои корабли [6] . В том же XV веке во Фландрии начинают лить чугунные ядра, которые вытесняют каменные [7] . В XVI веке в России (при Иване Грозном) из чугуна начали изготавливаться пушки [8] . Ввиду отсутствия у чугуна такого свойства как ковкость, его широкое производство стало возможным благодаря внедрению технологии доменной печи. Чугунные пушки появились у маньчжуров лишь в 1631 году [9] , а в Китае они были известны со времени династии Мин [10] , которая потеряла власть в 1644 г.

В 1701 году Каменский чугунолитейный завод на Урале (Россия) производит первую партию чугуна (262 кг). На Урале чугунное литье превратилось в народный промысел (Каслинское литьё). В XVIII веке в Англии появился первый чугунный мост (в России чугунный мост появился лишь в начале XIX века). Это стало возможным благодаря технологии Вилкинсона. В том же веке из чугуна начали изготавливать рельсы [11] (Чугунный колесопровод). Помимо промышленного использования чугун продолжал использоваться и в быту. В XVIII веке появились чугунки, которые широко стали использоваться в русской печи [12] .

К концу XVIII века Россия занимала первое место по производству чугуна и выдавала 9 908 тыс. пудов чугуна, в то время как Англия — 9 516 тыс. пудов, дальше шли Франция, Швеция, США. [13]

В 1806 году Великобритания выплавляла 250 тыс. тонн чугуна, занимая 1-е место в мире по его производству, а к середине XIX века в Великобритании была сосредоточена половина мирового чугунного производства. Однако в 1890 году 1-е место по производству чугуна заняли США [14] . Технология бессмеровского процесса (1856) и мартеновской печи (1864) впервые позволила получать сталь из чугуна. В XIX веке чугун широко используется для изготовления викторианских каминов [15] , а также декоративных элементов (например, чугунная решетка памятника Александра II, 1890). Благодаря изготовлению малой скульптуры и ажурных изделий из чугуна широкую известность получили Кусинский и Каслинский заводы. Развитие способов формовки для литья сложных художественных отливок на заводе в посёлке Касли привело к созданию способа изготовления стержневых форм, который применяют и в настоящее время, особенно в станкостроении. [16] Также в XIX веке из чугуна изготавливались водопроводные и канализационные 12-дюймовые трубы Лондона [17] . Однако с появлением нарезного оружия (Пушка Армстронга, 1854) сталь вновь начинает вытеснять чугун.

Чугуны являются тройными сплавами железо-углерод-кремний. Различают четыре основных типа чугунов:
— серый чугун;
— белый чугун;
— ковкий чугун;
— чугун с шаровидным графитом.

Химический состав этих четырех типов чугунов представлен в таблице ниже.

Таблица – Четыре основных типа чугуновЧем отличается серый чугун от белого

Серый чугун – графит, белый чугун — цементит

В сером чугуне формируется графитная эвтектика — углерод находится в нем с основном в форме графита, тогда как в белом чугуне образуется цементитная эвтектика и углерод находится в основном в виде цементита Fe3C.

Влияние кремния на тип эвтектики в чугунах

Добавление кремния позволяет графиту образовываться более легко, особенно при формировании непосредственно из жидкой фазы. Возможно, что более правильно было бы даже сказать, что добавка кремния делает более трудным образование цементита Fe3C.

На рисунке 1 показано как кремний снижает температуру эвтектики аустенит-цементит и в то же время поднимает температуру эвтектики аустенит-графит.

Чем отличается серый чугун от белогоРисунок 1 – Изменение эвтектических температур графита и цементита Fe3C
с увеличением содержания кремния в чугуне от 0 до 2 %

По рисунку 1 для сплава железо-углерод с содержанием кремния 2 % существует две эвтектические температуры: 1163 ºС при образовании графита и 1120 ºС при образовании цементита. В процессе охлаждения сплава жидкость между дендридами продолжает обогащаться углеродом пока температура до тех пор, пока не образуется одна из этих эвтектик.

Конкуренция между графитом и цементитом

Между двумя типами эвтектик происходит своего рода конкуренция зато, какая из них образуется первой. Эта конкуренция включает три важных фактора:

1) Обе типа эвтектик до начала формирования эвтектики требуют некоторого переохлаждения ниже их эвтектических температур, которые показаны на рисунке 1.
2) Величина переохлаждения возрастает с ростом скорости охлаждения.
3) Величина переохлаждения для образования эвтектики аустенит-цементит меньше, чем та, что требуется для образования эвтектики аустенит-графит.

Медленное охлаждение — серый чугун

Предположим, что междендритная жидкость охлаждается до 1130 ºС и при этом ни одна из эвтектик не сформировалась. Затем жидкость охлаждается еще на 33 ºС – с 1163 до 1130 ºС. Этого переохлаждения достаточно для образования графитной эвтектики. Для образования цементитной эвтектики этого охлаждения не достаточно, так как температура жидкости не опустилась ниже 1120 ºС. Поэтому в этих условиях цементитная эвтектика не может образоваться. Теоретически переохлаждения 33 ºС достаточно для образования графитной эвтектики и в результате этого получается серый чугун.

Быстрое охлаждение — белый чугун

Представим, что охлаждение того же железоуглеродистого сплава с 2 % кремния ведется быстрее, так, что необходимая величина переохлаждения для образования графитной эвтектики увеличивается с 33 до 53 ºС. Это значит, что графитная эвтектика не будет образовываться, пока междендритная жидкость не достигнет 1110 ºС. Однако при температуре 1110 ºС жидкость переохлаждается на 10 ºС температуры цементитной эвтектики 1120 ºС. Поскольку для формирования цементитной эвтектики достаточно небольшого переохлаждения – менее 10 ºС – этот сплав затвердеет как белый чугун.

Практика производства чугунов

Эти «теоретические» выкладки подтверждают практические рекомендации для производства серого и белого чугунов:
1) При одном и том же химическом составе чугуна он будет белым чугуном при быстром охлаждении или серым чугуном при медленном охлаждении.
2) Повышенное содержание кремния в чугуне способствует образованию серого чугуна. Различие графитной и цементитной эвтектических температур снижается с 43 ºС для содержания кремния 2 % до только 6 ºС в чугуне совсем без кремния.
3) В чугуне без кремния, как правило, образуется белый чугун. Это происходит потому, что междендритная жидкость раньше достигает переохлаждения для «белой эвтектики», чем для «серой эвтектики».

Источник: John D. Verhoeven, Steel Metallurgy for Non-Metallurgists, 2007

Чугун
Фазы железоуглеродистых сплавов
Структуры железоуглеродистых сплавов