Температура плавления чугуна: особенности материала

Особенности чугунных задвижек

Чугунные задвижки состоят из тех же конструктивных элементов, что и стальные. Они бывают клиновыми (с запорным элементом в форме клина), параллельными шиберными (с параллельным расположением уплотнений, затвор — двухдисковый). В основном изделия полнопроходные, с рабочим давлением до 16 кгс/см2. Но существуют и модифицированные изделия с сужением условного прохода.

Задвижки из чугуна изготавливаются методом литья — их прочность и износостойкость выше, чем у штампованных и сварных аналогов. Температура транспортируемых веществ ограничена +225 °С.

В качестве материала может использоваться чугун:

• Серый (СЧ), отличающийся хорошими литейными свойствами.
• Ковкий (КЧ), отличающийся хрупкостью, пластичностью и устойчивостью к химическому растрескиванию.
• Высокопрочный (ВЧ), имеющий повышенную износостойкостью, хорошие механические свойства. Этот материал может противостоять динамическим и вибрационным нагрузкам.

Чугунные задвижки используются в трубопроводных системах, работающих при невысоких напряжениях, малых температурах. Они склонны к окислению и применяются для переноса средне- и неагрессивных веществ.

Преимущества

• Высокая прочность и износостойкость.
• Стойкость к динамическим нагрузкам и вибрации.
• Устойчивость к низким температурам.
• Отсутствие изгибов потока рабочей среды.
• Низкое гидравлическое сопротивление.
• Возможность применения при транспортировке высоковязких веществ.
• Длительный срок эксплуатации.

Недостатки

К основным недостаткам чугунных задвижек можно отнести их массивность, большой вес. Из-за хрупкости чугуна их нельзя применять на трубопроводах с высоким давлением среды и повышенными нагрузками в системе.

Задвижки из чугуна не используются для транспортировки агрессивных и кристаллизующихся веществ.

Влияние химических элементов на свойства металла

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

1. 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.
2. 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.
3. 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.

Примеси

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

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

Примеси

Конечно, этот металл содержит не только железо и углерод. В него входят те же элементы, что и в стальные сплавы – фосфор, марганец, сера, кремний и другие. Эти добавки косвенно влияют на особенности сплава – они изменяют ход графитизации. Именно от этого параметра и зависят качества материала.

• Фосфор. Мало влияет на образование графита. Но все равно он нужен, потому как улучшает жидкотекучесть. Твердые включения фосфора обеспечивают высокую твердость и износостойкость металла.
• Марганец. Мешает графитизации, как бы «отбеливает» чугун.
• Сера. Как и кремний, способствует отбеливанию металла, да еще и ухудшает жидкотекучесть. Количество серы в сплаве ограничивают. Для мелкого литья не больше 0,08%, для деталей больше – до 0,1-0,12%.
• Кремний. Сильно влияет на свойства материала, увеличивая графитизацию. В металле может содержаться от 0,3-0,5 до 3-5% кремния. Варьируя количество кремния, получают сплав с разными свойствами – от белого до высокопрочного.
• Магний. Помогает получить материал с шаровидной формой зерен. Градус кипения магния низкий (1107˚С). По этой и другим причинам ввод магния в сплав затруднителен. Чтобы избежать его кипения, выплавку материала ведут с применением различных способов ввода магния.

Кроме обычных примесей, чугун может содержать и другие вещества. Это так называемый легированный материал. Хром, молибден, ванадий мешают процессу образования графита. Медь, никель и большинство других веществ, графитизации способствуют.

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.

Физические характеристики

Масса

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.

Кроме этого линейное расширение металла и структура чугуна меняется в зависимости от состояния каждого показателя. То есть это зависимые величины.

Удельный вес каждого чугуна отличается в зависимости от вида материала. У серого чугуна удельная масса равна 7,1±0,2 г/см3, у белого — 7,5±0,2 г/см3 , у ковкого — 7,3±0,2 г/см3.

О некоторых физических свойствах чугуна поведает видео ниже:

https://youtube.com/watch?v=zGVW6Hqy0pc

Объем

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

Плотность описываемого материала, чугуна, равна 7,2 гр/см3. 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.

Теплопроводимость.

Теплопроводность численно равна количеству теплоты (Дж), проходящее через единицу площади (кв.м) за единицу времени (сек) при единичном температурном градиенте.

Коэффициенты теплопроводности из справочника:

Металл	Коэффициент теплопроводности, Вт/(м*К)
Медь	390
Алюминий	236
Сталь	47
Чугун	42

Вывод: чугун распределяет тепло медленно. Иными словами, мясо на чугунной сковороде не будет пригорать (в том числе) из-за более равномерного распределения тепла.

Похожая ситуация в приготовлении шашлыка на природе. Приготовление мяса на углях позволяет пропечь куски. Приготовление на открытом огне просто зажаривает внешнюю часть кусков мяса, оставив внутренние части сырыми.

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.

Чугун и его основные характеристики

Основу производства чугуна также составляет железо и углерод, но в отличие от стали углерода в нем больше, а также других примесей в виде легирующих металлов. Он отличается хрупкостью и разрушается без видимой деформации. Углерод здесь выступает графитом или цементитом и за счет содержания других элементов чугун делится на следующие разновидности:

• Белый — где лидирует в большинстве цементит, этот материал на изломе имеет белый цвет. Данный компонент отличается хрупкостью и одновременно твердостью. Он легок в обработке, что придает ковкость чугуну.
• Серый — в этой разновидности большую долю составляет графит, за счет чего чугун получается пластичным. Готовый чугун имеет небольшую температуру плавления, отличается мягкостью, его легче резать.
• Ковкий — достигается методом обжига белого чугуна, его томят в специальных нагревательных печах при температуре в 950-1000оС. Присущая белому чугуну твердость и хрупкость снижаются, он не куется, а только становится более пластичным.
• Высокопрочный сплав чугуна — в нем содержится шаровидный графит, который образуется в ходе кристаллизации.

Температура плавления чугуна зависит от содержания в нем углерода, чем его больше в составе сплава, тем меньше температура, а также повышается его текучесть при нагреве. Это делает металл непластичными жидкотекучим, а также хрупким и трудно поддающимся обработке. Его температура плавления составляет от 1160 до 1250оС.

Антикоррозийные свойства у чугуна выше, поскольку он подвергается сухой ржавчине в процессе использования, это называется химическая коррозия. Влажная коррозия также воздействует на чугун медленней, чем на сталь. Эти качества привели к тому, что было совершено открытие в металлургии — начали выплавлять сталь с высоким содержанием хрома. Отсюда и появилась нержавеющая сталь.

Металл при нагревании расширяется или сжимается?

В таблице представлены значения коэффициента температурного расширения металлов (коэффициент линейного расширения металлов) в зависимости от температуры.

Значения коэффициента температурного расширения металлов даны для следующих металлов: алюминий Al, бериллий Be, висмут Bi, вольфрам W, галлий Ga, железо Fe, золото Au, иридий Ir, кадмий Cd, кобальт Co, магний Mg, марганец Mn, медь Cu, молибден Mo, никель Ni, олово Sn, платина Pt, родий Rh, свинец Pb, серебро Ag, сурьма Sb, титан Ti, хром Cr, цинк Zn.

Коэффициент линейного теплового расширения металлов в таблице приведен со множителем 106. Например, значение коэффициента температурного расширения металлов в таблице для алюминия при 0°С указано 22,8, а с учетом множителя 106, это значение составляет 22,8·10-6 1/град.

Следует отметить, что к металлам с низким коэффициентом расширения относятся такие металлы, как вольфрам, молибден, сурьма, титан и хром. Наименьшее линейное удлинение при нагревании испытывает вольфрам — коэффициент линейного расширения этого металла составляет величину от 4,3·10-6 при 0°С до 5,8·10-6 1/град при температуре 2100°С.

Металлом, который максимально хорошо расширяется при нагреве, является цинк — его коэффициент температурного расширения имеет значение от 22·10-6 до 34·10-6 1/град. Также хорошо расширяются при нагревании такие металлы, как алюминий, кадмий и магний.

Промышленные печи. Справочное руководство для расчетов и проектирования. 2–е издание, дополненное и переработанное, Казанцев Е.И. М., «Металлургия», 1975.- 368 с.

Тепловое расширение металла

Известно, что все металлы при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются. Степень увеличения или уменьшения первоначального размера металла при изменении температуры на один градус характеризуется коэффициентом линейного расширения.

Таким образом, длина l0 какой-то детали после нагрева на температуруt° составит:

где а — коэффициент линейного расширения.

При наблюдении за изменением объема детали используют коэффициент объемного расширения, который определяется как утроенный коэффициент линейного расширения.

Материалы, имеющие большой коэффициент расширения, применяются в приборостроении для деталей автоматически действующих механизмов. При определенной температуре такие детали, удлиняясь, могут включать либо размыкать электрическую цепь.

Минимальный коэффициент линейного расширения имеет сплав Fe — Ni, называемый инваром. Его коэффициент расширения в 8 раз меньше железа.

Теплопроводность металлов

Различные детали теплотехнической аппаратуры — радиаторы автомобилей и самолетов, внутренние стенки рабочих камер холодильных установок, стенки котлов и т.д. — должны обладать способностью хорошо проводить тепло.

Температура плавления неметаллов

Неметаллические материалы могут быть представлены в твердом и жидком виде. Неорганические вещества представлены в табл. 4.

Таблица 4, температура плавления неорганических неметаллов:

На практике для пользователей наибольший интерес представляют органические материалы: полиэтилен, полипропилен, воск, парафин и другие. Температура плавления некоторых веществ показана в табл. 5.

Таблица 5, температура плавления полимерных материалов:

Внимание! Под температурой стеклования понимают состояние, когда материал становится хрупким. Видео: температура плавления известных металлов

Видео: температура плавления известных металлов.

Температура плавления стали

Представлена таблица значений температуры плавления стали распространенных марок. Рассмотрены стали для отливок, конструкционные, жаропрочные, углеродистые и другие классы сталей.

Температура плавления стали находится в диапазоне от 1350 до 1535°С. Стали в таблице расположены в порядке возрастания их температуры плавления.

Температура плавления стали — таблица

Стали для отливок Х28Л и Х34Л	1350	Коррозионно-стойкая жаропрочная 12Х18Н9Т	1425
Сталь конструкционная 12Х18Н10Т	1400	Жаропрочная высоколегированная 20Х23Н13	1440
Жаропрочная высоколегированная 20Х20Н14С2	1400	Жаропрочная высоколегированная 40Х10С2М	1480
Жаропрочная высоколегированная 20Х25Н20С2	1400	Сталь коррозионно-стойкая Х25С3Н (ЭИ261)	1480
Сталь конструкционная 12Х18Н10	1410	Жаропрочная высоколегированная 40Х9С2 (ЭСХ8)	1480
Коррозионно-стойкая жаропрочная 12Х18Н9	1410	Коррозионно-стойкие обыкновенные 95Х18…15Х28	1500
Сталь жаропрочная Х20Н35	1410	Коррозионно-стойкая жаропрочная 15Х25Т (ЭИ439)	1500
Жаропрочная высоколегированная 20Х23Н18 (ЭИ417)	1415	Углеродистые стали	1535

Виды чугуна

В основном чугун классифицируют по форме углерода, который содержится в сплаве.

Белый чугун

Белый чугун имеет характерный окрас скола, так как углерод (С) входит в состав в виде цементита (Fe3C), который образуется когда расплав остывает. Цементит – это твердый тугоплавкий материал.

В доэвтектическом сплаве углерод содержится в перлите и ледебурите. В эвтектическом сплавеуглерод входит в состав ледебурита. В заэвтектическом он содержится в первичном цементите и ледебурите.

В первоначальном виде он нигде не используется, т.к. его тяжело обрабатывать инструментами при механической обработке. Конечно, возможно использовать насадки из карбидов (ВК), но трудоемкость процесса очень велика. Поэтому белый чугун используется в качестве сырья для получения ковкого чугуна.

Серый чугун

Серый чугун также берет свое названия от оттенка на сколе. Он имеет в составе фракции графита, которые могут иметь разную форму. При добавке кремния, он способствует осаждению углерода.

Физико-механические свойства, а также структура серого чугуна, зависят от условий остывания после кристаллизации.

Быстрое охлаждение приведет к преобладанию перлита в составе чугуна. Закалка (другими словами термообработка) может повысить прочность и твердость, но при этом чугун становится хрупким, что может быть не приемлемо.

Медленное остывание приводит к росту содержания феррита. Феррит – это сплав железа с оксидами, в основном с Fe2O3. При таких условиях улучшается пластичность.

Поэтому условия, при которых остывает сплав, выбирают, ориентируясь на желаемые параметры конечного продукта.

Серый чугун используется для литых изделий и конструкций (чугунного литья).

Он имеет невысокую температуру отвердения, хорошую жидкотекучесть, нет склоненности к образованию раковин. Серый чугун хорошо реагирует на сжатие, но плохо противостоит растяжению/изгибу. Это происходит из-за углеродных вкраплений, которые приводят к низкой трещиностойкости.

Маркировка серого чугуна состоит из символов СЧ (серый чугун) и цифры, которая обозначает предельную прочность в кг/мм2: например, СЧ35. В наиболее распространенных чугунах содержание углерода ниже 3,7%.

Ковкий чугун

Для производства ковкого чугуна, белый чугун нагревают до необходимой температуры, выдерживают определенное время, и потом медленно охлаждают (процесс называется «отжигом»). Это способствует процессу распада Fe3C и выделению графита с образованием феррита.

При этом включения углерода по не имеют схожести с аналогичными в сером чугуне. Поэтому стойкость к разрыву и ударная вязкость из-за этих различий характерна ковкому чугуну.

Маркировка ковкого чугуна состоит из букв «КЧ» и добавления цифр, которые указывают на допустимую прочность на растяжение в МПа х 10-1 и максимальное относительное удлинение. Например: КЧ 37-12.

Высокопрочный чугун

Высокопрочный чугун это вид серого чугуна, в котором графитовые образования имеют шаровидную форму. Из-за такой округлости включений кристаллическая решетка становится не склонна к образованию трещин.

Высокопрочные чугуны имеют ценные первичные свойства чугунов (стойкость к сжатию, жидкотекучесть и т. д.), при этом имеют характерные для сталей предел текучести при растяжении, трещиностойкость и пластичность.

Маркируется аналогично ковкому, но с буквами «ВЧ».

Передельный чугун

Передельный чугун используется как сырье для выплавки стали. При этом он может даже не покидать предприятие, где его произвели.

Специальный чугун

К таким видам чугуна относят антифрикционный чугун и легированный чугун.

Выпуск этих марок имеет не большой объем, примерно до 2% от всего впускаемого чугуна. Такие виды чугуна могут иметь в составе большое количество легирующих элементов. Сфера использования имеет ограниченные цели и специфические условия.

Антифрикционный чугун может использоваться для изготовления деталей, подвергающихся трению. Основным компонентом для легирования является хром, также могут использоваться никель, титан, медь и другие металлы. Он имеет высокую твердость (до HB 300) и низкий коэффициент трения (до 0,8 при отсутствии смазки).

Базовыми материалами для производства антифрикционного чугуна являются серый, ковкий и высокопрочный чугуны. Маркируется соответственно – АЧС, АЧК, АЧВ.

Чугун. КЛТР.

Истинный ТКЛР при охлаждении имеет отрицательные значения, но по абсолютной величине практически совпадает с ТКЛР высокопрочного чугуна при нагреве. Так, при охлаждении ТКЛР чугуна в интервале температур 1000 …Аr3 составляет –22,0·10–6 1/град. В межкритическом интервале температур Аr3 … Аr1 он минимальный и составляет всего – 3,1·10–6 1/град. ТКЛР продуктов распада аустенита в интервале температур Аг1 …600С составляет –13,0·10–6 1/град. С пониженим температуры ТКЛР снижается и в интервале температур 300 … 200С он составляет – 11,2·10–6 1/град.

Средний температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) высокохромистого чугуна, состоящего из эвтектического цементита, мартенсита и остаточного аустенита ( рис. 1, б ), в интервале температур 50 …100С составляет 10·10–6 1/град. В интервале температур 500 …900С за счет фазового превращения исходной структуры в аустенит понижается до 11,1·10–6 1/град. При нагреве до максимальной температуры 1000С он повышается за счет увеличения доли аустенита и равен 12,0·10–6 1/град. Истинный коэффициент линейного расширения этого чугуна при нагреве в интервале температур 50 …100С равен 10·10–6 1/град. С повышением температуры нагрева до 5000С он увеличивается до 13,6·10–6 1/град. В интервале температур 500 …600С за счет процессов отпуска мартенситной структуры он понижается до 12,5·10–61/град. Распад остаточного аустенита на феррито – карбидную смесь в интервале температур 600 – 700С приводит к повышению ТКЛР до 17,2·10–6 1/град. При дальнейшем нагреве до Ас1 (770С) за счет уменьшения скорости распада остаточного аустенита ТКЛР понижается до 10,9·10–6 1/град. В интервале температур Ас1… 805С за счет фазового превращения исходной структуры в аустенит ТКЛР резко падает и равен 3,7·10–6 1/град. За счет увеличения скорости превращения на аустенит в интервале температур 805… Ас3 температурный коэффициент линейного расширения принимает отрицательное значение и равен –2,2·10–6 1/град.

Истинный коэффициент линейного расширения этого чугуна в процессе охлаждения имеет отрицательные значения и понижается вплоть до температуры начала мартенситного превращения, равной 250С. Так, в интервале температур 100 – 900С он равен –21,5·10–6 1/град. При дальнейшем охлаждении он понижается и в интервале температур 300 – 250С он составляет всего –13,6·10–6 1/град. Распад переохлажденного аустенита на мартенсит в интервале температур 200 –100С приводит к расширению образца и ТКЛР в этом случае составляет + 3,7·10–6 1/град. Дальнейшее увеличение скорости распада аустенита на мартенсит приводит к дальнейшему увеличению ТКЛР чугуна до +5,3·10–6 1/град.Изменено 15 декабря, 2020 пользователем desti

Физические свойства металла

Алюминий — это химический элемент (атомный № 13) Он принадлежит к группе легких металлов и является распространенным элементом, находящимся в земной коре. Парамагнитный металл обладает серебристо-белым цветом, он очень легко поддается механической обработке, из него удобно отливать изделия.

Металл обладает высокой тепло- и электропроводностью. Он устойчив к воздействию воздуха за счет способности формирования пленок из оксида металла, защищающих поверхность от влияния внешней среды.

Разрушается пленка под воздействием щелочных растворов. Для предотвращения реакции металла с агрессивными жидкостями в сплав добавляют индий, олово или галлий.

Удельная теплота плавления составляет 390 кДж/кг, а испарения – 10,53 МДж/кг. Металл кипит при температуре 2500°C. Градиент плавления зависит от степени очистки материала и составляет соответственно:

• для технического сырья +658°C;
• для металла с очисткой высшего класса +660 °C.

Алюминий легко формирует сплавы, среди которых всем известны соединения с медью, магнием, кремнием. В ювелирной отрасли этот металл сочетают с золотом, что придает составу новые физические свойства.

Алюминий легко образует сплавы.

В природе химический элемент образует естественные соединения. Он находится в составе таких минералов, как:

• нефелин;
• боксит;
• корунд;
• полевой шпат;
• каолинит;
• берилл;
• изумруд;
• хризоберилл.

В некоторых местах (жерла вулканов) можно обнаружить в незначительных количествах самородный металл.

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/см2. 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.

Теплопроводность чугуна

В таблице даны значения теплопроводности чугуна в зависимости от температуры и состава. Также указана теплопроводность жидкого чугуна при температуре 1400°С.

Представлены значения теплопроводности для следующих марок чугуна: обыкновенный чугун, чугун молибденохромистый, молибденовый, хромоникелевый, марганцевоникелевый, чугун никельрезист, никросилал, хромоалюминиевый, медистый, обыкновенный чистый, серый чугун, отожженый ковкий чугун, жидкий чугун.

Теплопроводность чугуна дана в зависимости от температуры в диапазоне от 0 до 400°С. По данным таблицы видно, что с ростом температуры теплопроводность чугуна уменьшается. Значения теплопроводности чугуна распространенных марок указаны также в этой таблице.