Температура плавления чугуна, характеристики металла

Температура плавления чугуна характеристика свойства сплава

Температура плавления чугуна: полная характеристика материала + достоинства/недостатки + маркировка + химические/физические свойства + разбор тепловых свойств чугуна + область применения материала.

Чугун относится к материалам широкого применения как в быту, так и промышленности. Впервые о нем начали говорить сотни лет назад, но в массовое использование сплав попал сравнительно недавно.

В сегодняшней статье мы разберем что из себя представляет материал вообще – его недостатки, достоинства, особенности и область применения, а также расскажем какова температура плавления чугуна и его сплавов.

Что представляет собой чугун?

Само слово имеет тюркские корни, а технология изготовления чугуна впервые была выработана на территории Китая еще в X веке. Китайцы делали из сплава чеканные монеты, но из обихода они вышли быстро, ибо бронза была куда практичнее в плане ковки.

Объемы производства сплава увеличились после 1900 года и достигли показателя в 18 миллионов тонн. В 2010 году на изготовление чугунных изделий ушло больше 930 миллиона тонн, а в 2020 значения далеко перевалили отметку в 1 300 миллионов тонн чугуна.

1) Плюсы/минусы чугуна + его отличия от стали

Чугун – это сплав железа и углерода. При чем, процентное содержание второго составляет приблизительно 2.1%.

Преимущества чугуна Недостатки материала
Некоторые вариации сплавов на основе железа с углеродом отличаются повышенными характеристиками прочности, что ставит чугун на одну ступень со сталью. При длительном воздействии на поверхность материала воды, он начнет покрываться слоем ржавчины, которую тяжело отмыть.
Чугун равномерно распределяет тепло при нагревании + долго хранить температуру, что сделало материал весьма популярным у домохозяек. Высокая стоимость чугуна по сравнению с той же сталью и алюминием.
Чугун –экологически чистый продукт. Низкий показатель практичности, присущий только в отношении серой разновидности чугуна.
Обладает высокими показателями гигиеничности и проявляет стойкость при нахождении в щелочно-кислотной среде. Белый чугун слишком хрупкий, потому большинство сырья идет исключительно на переплавку.
По мере старения чугун только повышает свое качество, а потому, изделия из оговоренного металла крайне долговечны.

Чугун – это материал в черной металлургии, и по характеристикам он довольно близок к стали. Именно потому чугунные изделия частенько сравнивают со стальными, проводя параллели между их базовыми свойствами в чистом виде.

Отличия чугуна от стали:

  1. Дешевле.
  2. Темная расцветка поверхности.
  3. Проще лить, но тяжелее ковать и сваривать.

Рассматривая чугун в качестве структурного вещества, его представление – это полость из металла с включениями графита. В структуре материала преобладает 3 компонента – графит с высокой пластичностью, перлит и ледебурит. В зависимости от типа чугуна, пропорции оговоренных элементов могу в долевом отношении значительно разниться.

Вид чугуна Особенности Популярность (из 5 ★)
Белый Является исходным материалом для получения других типов чугунов. Углерод внутри находится в связанном виде — Fe3C. При изменении количества углерода, меняется и подгруппа белого чугуна – при 4.2% эвтектические, а от 4.2% до 6.7% заэвтектические. Свое название чугун приобрел из-за белого цвета цемента в месте разлома материала. ★★★
Серый В основе сплава железо, углерод + кремний в количестве 1%-3.5%. К постоянным примесям относят Mn, P и S. Структура предусматривает содержание графита в пластичной форме. При изломе цвет серый. ★★★★
Ковкий Получают путем отжига белого. Структура – хлопьеобразная. В основе феррит, но иногда перлит. Название – это производная от свойства высокой пластичности, что позволяет качественно обрабатывать материал. К физическим особенностям ковкого чугуна относят прочность и сопротивление ударам. ★★★★★
Половинчатый Содержит углерод в двух вида – как графит и как цементит. Структура – хлопьеобразная. Материал часто используют в условиях трения сухого типа. Материалы из половинчатого чугуна обладают повышенной износоустойчивостью. ★★★★
Высокопрочный Основа структуры – шароподобный графит, получаемый при кристаллизации. Не относится к концентраторам напряжения. Располагает высокой прочностью к сжатию, хорошими литейными свойствами, износостойкостью + хорошо поддается механической обработке. ★★★

Выделяют еще и предельный чугун, но из-за его несостоятельности в качестве самостоятельного материала, среди бытовых/промышленных изделий он не встречается. Материал используется как вспомогательный компонент при переработке стали.

  • П1-2 – предельный 1-го и 2-го типов;
  • ПЛ1-2 – передельно-литейный;
  • ПФ1-3 – фосфористый передельный;
  • ПВК1-3 – чугун высокой прочности передельного типа;
  • СЧ – в составе чугуна пластинчатый графит;
  • АЧС/АЧВ/АЧК – серый/высокопрочный/ковкий чугун с антифрикционными свойствами соответственно;
  • Ч – легированный.

Шаровидный графит для отливки маркируется как ВЧ + числовые значения, которые обозначают сопротивление разрыву и относительное удлинение в процентах.

2) Характеристики, свойства и особенности структуры чугуна

Различаются также и формы графита внутри сплава:

  • шарообразная. Минерал становится оговоренной формы вследствие добавления магния. Характеристика полученного чугуна – высокий показатель прочности;
  • лепестковая. Или как часто называют – пластичная форма. Свойство исходит из второй версии названия. Благодаря лепестковой структуре минерала, обеспечивается высокий запас пластичности, потому, форма распространена в большинстве обычных типов чугуна;
  • хлопьеобразная. Форма частиц вызвана отжигом чугуна белого типа. Характерным представителем хлопьеобразного графита является ковкий чугун;
  • вермикулярная. Форма преобладает у чугуна серого типа. Цель ее разработки – повышение уровня пластичности и других характеристик материала.

На качественные характеристики чугунных изделий значительно влияют и другие типы примесей. К примеру, если вещество обогащено серой – это понизит тугоплавкость чугуна, фосфор предоставляет полет для фантазии в процессе ковки, но ставит ограничения на предел прочности.

Важно: для повышения качества свойств чугуна в него часто добавляют медь, никель, хром и алюминий. Полученный тип чугуна имеет пометку «легированный».

Вкрапления минерала кремния понижает температурный режим в отношении плавления вещества, предоставляя возможность варьировать его тип – от белого до ферритного. Марганцевый порошок в составе чугуна понижает свойства материала к литью, взамен на 50%-70% увеличивается твердость итогового сплава.

Тип свойства Особенности
Физические Начнем с удельного веса – от 7.1 до 7.5 грамма на сантиметр кубический в зависимости от типа материала. Действительная усадка составляет 1.1-1.8%, а поверхностное натяжение составляет 900 дин на сантиметр квадратный. Характерной особенностью чугуна является смена удельного веса при повышении/понижении долевого содержания углерода.
Механические Зависят от основы в виде графита. Наибольшей прочностью отличается сплав чугуна на перлитной основе, а 1-место по пластичности берет на себя ферритный чугун.
Гидродинамические Сюда относится вязкость вещества. Она варьируется в зависимости от массовой доли серы с марганцем внутри сплава. Второй момент повышения вязкости происходит при переходе материала к точке отвердевания.
Технологические У чугуна высококачественные характеристики в отношении противостояния к вибрациям, износу. Литейные свойства на высоте, в том числе.
Химические Электродный потенциал присущ у всех разновидностей материала, но его значение неравномерно. Максимальное у феррита, а наименьший у цементита.

О тепловых свойствах + температуре плавления/кипения чугуна будет рассказано детальнее чуть ниже, а теперь давайте рассмотрим процесс производства чугуна и его области применения. Можно ли сплав получать в домашних условиях?

3) Производство чугуна + области его применения

Технология производства чугуна пошагово:

  1. Сортировка сырья. По размеру и химическому составу. Слишком большие куски дробят в мелкие частички, а чересчур мелкие окусковуют. Параллельно происходит обогащение – удаление пустых пород и увеличение доли железа.
  2. Заготовка топлива. Кокс фильтруют от пыли и мелких частиц.
  3. Заготовка флюса. Фильтрация от мелких частиц и загрузка топлива в печь.
  4. Доменное изготовление. В печь грузят кокс-агломерат-кокс. Повышение температуры происходит через вдув горячего воздуха. Руда восстанавливается при помощи окиси углерода, и постепенно перемещается вдоль доменной печи, пока не получится жидкий чугун.

Работа доменной печи непрерывна. Параллельно с производством чугуна происходит восстановление кремния, марганца и прочих примесей. Лидером в производстве чугуна считается Китай (от 600 миллионов тонн за год). На втором месте с большим отставанием Япония с объемами всего в 70 миллионов тонн. Россия добывает порядка 40 миллионов тонн ежегодно.

Где используют чугун:

  • детали в машиностроении – валы, тормозные колодки и блоки двигательных систем;
  • детали устройств, которые работают при низких температурах;
  • компоненты в металлургийной промышленности;
  • сантехнические изделия. Особым спросом пользуются ванны и компоненты отопительных систем.

Из-за хороших литейных свойств, чугун используется даже в сфере искусств – ажурные ворота, памятники архитектуры и тому подобное.

Чугун: какова температура его плавления?

1) Тепловые свойства сплава

Каждый металл меняет физические свойства при воздействии низких/высоких температур, и это помимо вкрапливаемых примесей. Для чугуна это магний, марганец, кремний, сера, фосфор и прочие. Иногда в сплав добавляют материалы легированного типа, что может в 3-5 раз увеличить/снизить свойство чугуна.

Базовые характеристики поданы на рисунке выше, а детальнее о тепловых свойствах чугуна расскажет таблица ниже. В расчет возьмем 3 базовых параметра (помимо температуры плавления) – теплоемкость, теплопроводность и температуропроводимость.

Свойство Характеристика
Теплоемкость Теплоемкость – это изменение температуры заготовки из чугуна на один Кельвин под тепловой обработкой. Свойство имеет прямую зависимость от вспомогательных компонентов сплава и применяемой температуры. Повышение t пропорционально увеличивает значение теплоемкости. У твердого чугуна – это 1 кал/см^3*Г, а у расплавленного – 1.5 кал/см^3*Г. Оговоренные значения помогают просчитать отношение теплоемкости и объемы вещества в целом.
Теплопроводность Параметр дает понять, на сколько хорошо металл способен проводить тепловую энергию. Для чугуна зависимость выливается в 2 пункта – наличие дополнительных примесей в сплаве и структура металла. У твердого чугуна теплопроводность выше нежели у расплавленного. Вариативность в пределах 0.08–0.13 кал/см сек
Температуропроводимость Параметр отвечает за способность материала менять температурные значения тела. В процессе расчетов во внимание берется диапазон теплопроводности в различных марках чугуна. Для жидкого чугуна это 0.03 см^2/сек. В дополнение к расчетам идет показатель теплоемкости.

Изредка применяется и коэффициент теплового расширения, меняющейся от типа чугуна, а именно, процентного содержания углерода.

Детальное описание особенностей чугуна и области его применения:

2) Температура плавления чугуна серого и белого

Чугун обходит сталь в отношении литейных свойств – усадка составляет менее 1% + низкий показатель жидкотекучести. Такие показатели дают возможность заливать сплав в формы при температуре на 350-400 градусов Цельсия ниже, нежели у плавильной стали.

Температура плавления чугуна:

  • серого – 1250 градусов;
  • белого – 1350 градусов.

Температура плавления чугуна для заливки по формам составляет 1 400 и 1 450 градусов Цельсия со знаком «+» соответственно. При желании производить материал дома, будьте готовы выделить полноценное хозяйственное помещение с площадью от 20 квадратов. Доменную печь реально заменить индукционной. Руду плавят в тиглях, а при работе используется флюс. Готовый сплав переливают в формы из песка и металла группы тугоплавких.

При какой температуре плавится металл

При термическом воздействии на детали в процессе сварки важно учитывать температуру плавления металлов. От этого показателя зависят токовые параметры. Необходимо создать электрической дугу или пламя в газовой горелке такой тепловой мощности, чтобы разрушить молекулярные связи. Параметр, при котором сталь или цветной сплав плавится, учитывают при выборе конструкционных материалов для узлов, испытывающих силу трения или металлоконструкций, испытывающих термическое воздействие.

Процесс плавления

При термовоздействии на деталь изменение внутренней структуры происходит за счет накопления энергии молекулами. Скорость их движения возрастает. В критической точке нагрева начинается разрушение кристаллической структуры, межмолекулярные связи уже не могут удержать молекулы в узлах решетки. Взамен колебательным движениям в пределах узла происходит хаотическое движение, образуется ванна расплава в месте нагрева. Точку начала расплавления вещества в лабораторных условиях определяют до сотых долей градуса, причем этот показатель не зависит от внешнего давления на заготовку. В вакууме и под давлением металлические заготовки начинают плавиться при одной и той же температуре, это объясняется процессом накопления внутренней энергии, необходимой для разрушения межмолекулярных связей.

Классификация металлов по температуре плавления

В физике переход твердого тела в жидкое состояние характерен только для веществ кристаллической структуры. Температуру плавления металлов чаще обозначают диапазоном значений, для сплавов точно определить нагрев до пограничного фазового состояния сложно. Для чистых элементов каждый градус имеет значение, особенно, если это легкоплавкие элементы,

значения не имеет. Сводная таблица показателей t обычно делится на 3 группы. Помимо легкоплавких элементов, которые максимально нагревают до +600°С, указывают тугоплавкие, выдерживающие нагрев свыше +1600°С, и среднеплавкие. В этой группе сплавы, образующие ванну расплава при температуре от +600 до 1600°С.

Разница между температурой плавления и кипения

Точкой фазового перехода вещества из твердого кристаллического состояния в жидкое нередко называют температуру плавления металла. В расплаве молекулы не имеют определенного расположения, но притяжение удерживает их вместе, в жидком состоянии кристаллическое тело сохраняет объем, но теряет форму.

При кипении теряется объем, молекулы слабо взаимодействуют, хаотично движутся во всех направлениях, отрываются от поверхности. Температура кипения – это когда давление металлических паров достигает давления внешней среды.

Для наглядности разницу между критическими точками нагрева лучше представить в виде таблицы:

Свойства Температура плавки Температура кипения
Физическое состояние Сплав превращается в расплав, кристаллическая структура разрушается, исчезает зернистость Переход в газообразное состояние, отдельные молекулы улетают за пределы расплава
Фазовый переход Равновесие между жидкой и твердой фазами Равновесие между давлением паров металла и внешним давлением воздуха
Влияние внешнего давления Не меняется Изменяется, падает при разряжении

Таблицы температур плавления металлов и сплавов

Для удобства границы фазового перехода указаны по группам в порядке возрастания t фазового перехода из твердого в жидкое состояние. Из всех элементов выбраны часто встречающиеся.

Таблица плавления легкоплавких металлов и сплавов (расплавляются до +600°С).

Название элемента или соединения Буквенный символ в периодической таблице элементов Температура образования расплава Температура закипания
Ртуть Hg -38,9°С +356,7°С
Литий Li +18°С +1342°С
Цезий Cs +28,4°С +667,5°С
Калий K +63,6°С +759°С
Натрий Na +97,8°С +883°С
Индий In +156,6°С +2072°С
Олово Sn +232°С +2600°С
Висмут Bi +271,4°С +1564°С
Таллий Tl +304°С +1473°С
Кадмий Cd +321°С +767°С
Свинец Pb +327°С +1750°С
Цинк Zn +420°С +907°С

Таблица плавления среднеплавких металлов и сплавов, диапазон фазового перехода от +600 до 1600°С.

Наименование Обозначение металла или химический состав сплава Температура плавления Температура кипения
МЕТАЛЛЫ
Сурьма Sb +630,6°С +1587°С
Магний Mg +650°С +1100°С
Алюминий Al +660°С +2519°С
Барий Ba +727°С +1897°С
Кальций Ca +842°С +1484°С
Серебро Ag +960°С +2180°С
Золото Au +1063°С +2660°С
Марганец Mn +1246°С +2061°С
Медь Cu +1083°С +2580°С
Бериллий Be +1287°С +2471°С
Кремний Si +1415°С +2350°С
Никель Ni +1455°С +2913°С
Кобальт Co +1495°С +2927°С
Железо Fe +1539°С +900°С
СПЛАВЫ
Дюрали Al+ Mg+Cu+Mn +650°С
Латуни сплавы на основе меди и цинка +950…1050°С
Нейзильбер Cu+Zn+Ni +1100°С
Чугун углеродистое железо +1100…1300°С
Углеродистые стали +1300…1500°С
Нихром Fe+Ni+Cr+Si+Mn+Al +1400°С
Инвар Fe+Ni +1425°С
Фехраль Fe+Cr+Al+Mn+Si +1460°С

Таблица плавления тугоплавких металлов и сплавов (свыше +1600°С).

Температура плавления чугуна

Доменная печь действует круглосуточно, в постоянном строе.
Сырьем для доменного процесса служат железная руда, кокс и известняк.
Их всегда загружают в печь через верхнюю часть.
Железо дают из печи четыре раза в сутки, через одинаковые интервалы времени.
Оно вытекает из печи огненным потоком при температуре порядка 1500°С.
Доменные печи бывают различной величины и производительности ( 1000 — 3000 т в сутки ).
В США имеются некоторые печи новейшей конструкции с четырьмя выпускными отверстиями и непрерывным выпуском расплавленного железа.
Подобные печи имеют производительность до 10000 т в сутки.

Свариваемость чугуна.
Чугун является трудносвариваемым сплавом.
Трудности при сварке чугуна обусловлены его химическим составом, структурой и механическими характеристиками, при сварке чугуна необходимо включать вытекающие его свойства : жидкотекучесть, поэтому сварка выполняется только в тельном положении ;
малая пластичность, характеризующаяся образованием в процессе сварки значительных духовных усилий и закалочных структур, которые нередко приводят к возникновению трещин ;
интенсивное выгорание углерода, что приводит к пористости сварного шва ;
в расплавленном состоянии чугун окисляется с образованием тугоплавких оксидов, температура плавления которых выше, чем чугуна.
Сварка чугуна применяется в главном для исправления литейных дефектов, при ремонте изношенных и сломанных деталей в процессе эксплуатации и при изготовлении сварных конструкций.

При плазменно — дуговой резке [ 3 ] дуга возбуждается между разрезаемым металлом и неплавящимся вольфрамовым электродом ( с добавлением лантана ), размещенным внутри электрически изолированного формирующего наконечника.
В большинстве происшествий применяется дуга постоянного тока прямой полярности.
Продуваемый через сопло газ обжимает дугу, обеспечивает в ней интенсивное плазмообразование и придаёт дуге проникающие свойства.
При этом газ разогревается до высоких температур ( 10000 – 20000 °С ), что обеспечивает высокую скорость истечения и сильное механическое действие плазмы на расплавляемый, который программируется из места реза.

Производство стали в печках.
Применение электрической энергии в производстве стали даёт возможность достигать более высокой температуры и точнее её регулировать.
Поэтому в электропечах выплавляют любые марки сталей, в том числе содержащие тугоплавкие металлы — вольфрам, молибден и др.
Потери легирующих элементов в печках меньше, чем в остальных печках.
При плавке с кислородом ускоряется плавление шихты и особенно окисление углерода в жидкой шихте, Применение кислорода позволяет ещё более повысить качество электростали, так как в ней остаётся меньше растворённых газов и неметаллических включений.

Жидкий, который нельзя отменить из летки, направлялся по желобам, подготовленным в песочной «постели» перед печью.
Из канавок он растекался по удлиненным боковым углублениям в песочке, где и каменел в виде болванок, называемых чушками ( из — за сходства с многочисленными поросятами, сосущими свиноматку ).
При всем при том, что литье в песок более не применяется, металл, выплавляемый в доменных печах, по — прежнему называют чушковым ( применяется и, который нельзя отменить «чугун ).
В наши дни в тех случаях, когда требуется чушковый, который был перекрыт металл разливают по стальным литейным формам, непрерывно движущимся перед домной на ленточном конвейере.
Когда металл каменеет, формы переворачиваются и, избавившись от чушки, возвращаются за следующей отливкой.
Чтобы чугун не привязывался к фигурам, их покрывают каменноугольной смолой или известью.

Инструментальные стали подразделяются на вольфрамовые и марганцовистые.
Добавление этих металлов повышает твердость, крепость и устойчивость при высочайших температурах ( жаропрочность ) стали.
Подобные стали используются для бурения скважин, изготовления режущих кромок металлообрабатывающих инструментов и тех деталей автомобилей, которые подвергаются большой механической нагрузке.

Читайте также:  Ремонт генератора на Renault Logan не снимая с авто! — DRIVE2; Про авто и мото
Ссылка на основную публикацию
Adblock detector