Что такое чугун – свойства, типы, применение в обработке на станках с ЧПУ, отличия от стали

Чугун — универсальный металл, используемый в различных автомобильных компонентах, таких как блоки двигателя, головки, маховики и тормозные диски, а также в повседневных предметах, таких как горшки и крышки дорожных люков. Однако существует несколько видов чугуна, каждый из которых обладает своими уникальными характеристиками. В этом контексте рассматриваются виды и характеристики чугуна, а также моменты, которые следует учитывать во время Обработка с ЧПУ.

Что такое чугун?

Чугун — это общее название сплавов железа (Fe), содержащих значительное количество углерода (C), содержание углерода в которых варьируется от 2.1% до 6.7%. По мере увеличения содержания углерода температура плавления снижается, что позволяет относительно легко разливать и формовать чугун в формы. Это связано с явлением эвтектического затвердевания, когда добавление другого вещества к чистому веществу снижает температуру, при которой оно переходит из жидкого состояния в твердое. Чугун имеет широкий спектр применения: от механических компонентов и промышленных изделий до предметов повседневного обихода, таких как водопроводные трубы и крышки люков.

Различия между чугуном, сталью и железом заключаются в «содержании углерода»

Обычно «чистое железо», которое имеет высокое содержание железа и высокую чистоту, слишком мягкое и склонное к окислению, что делает его непрактичным для многих применений. Поэтому для повышения прочности добавляют углерод и другие элементы, что приводит к созданию чугуна и стали.

По сути, чугун, железо и сталь — это все металлы, состоящие из железа и углерода, причем главное отличие заключается в количестве присутствующего углерода. В порядке увеличения содержания углерода это чугун, сталь и железо (чистое железо). Кроме того, сталь можно разделить на углеродистую сталь, состоящую из железа и определенной пропорции пяти элементов (углерода, кремния, марганца, серы и фосфора), и легированную сталь, которая включает другие металлы.

По мере приближения содержания углерода к содержанию чистого железа с низким содержанием углерода твердость и износостойкость снижаются, а вязкость и температура плавления увеличиваются. И наоборот, более высокое содержание углерода повышает твердость и износостойкость, но снижает вязкость и температуру плавления.

Разница между чугуном и «отливками»

Подобно чугуну, термин «литье» относится к изделиям, созданным путем заливки расплавленного материала в формы. Различие между чугуном и отливками заключается в том, что чугун относится к самому материалу, а отливки — к изделиям, изготовленным из этого материала.

Чугун имеет большой объем производства и часто используется в литье, хотя не все отливки изготавливаются из чугуна. Литая сталь (чукоу) может быть нагрета до 1500°C и залита в формы, а такие материалы, как алюминий, медь и магний, также используются для литья.

Типы чугуна

Чугун подразделяется на различные типы в зависимости от добавок, состояния углерода, методов производства и т. д., каждый из которых обладает различными характеристиками. Типы чугуна и их соответствующие характеристики следующие:

・Белый чугун:

Когда чугун содержит мало углерода и кремния, углерод не осаждается в виде графита, а образует цементит (Fe3C), соединение углерода. Эта кристаллизация цементита приводит к появлению белого цвета на поверхностях излома, отсюда и название «белый чугун». Белый чугун твердый и обладает превосходной износостойкостью, но его трудно обрабатывать, он хрупок и склонен к растрескиванию.

・Серый чугун (СЧ):

Когда чугун содержит умеренное количество углерода, углерод кристаллизуется в основном в виде графита, а не цементита. Влияние графита приводит к серому виду на поверхностях излома, что приводит к появлению таких терминов, как «серый чугун» или «обычный чугун».

Сокращенно обозначается как FC, представляющее собой аббревиатуру «Ferrous» (Fe) и «Casting», за которыми следует трехзначное число, обозначающее предел прочности на разрыв. Например, FC150 обозначает серый чугун с минимальным пределом прочности на разрыв 150 или более. Тип с хлопьевидной структурой графита называется «пластинчатым графитовым чугуном». Случаи, когда сосуществуют как серый, так и белый чугун, создавая поверхность излома с черными и белыми пятнами, известны как «пятнистый чугун».

Серый чугун обладает меньшей прочностью и вязкостью, но его легко отливать и он имеет высокую обрабатываемость. Наряду с превосходной износостойкостью и коррозионной стойкостью он обладает уникальным свойством поглощения вибрации, что делает его пригодным для широкого спектра применений, таких как корпуса машин, детали и блоки цилиндров двигателей.

・Ковкий чугун (КЧ):

«Ductile» в английском языке означает «гибкий» или «ковкий». При добавлении таких элементов, как магний (Mg) и церий (Ce), графит в структуре преобразуется в сферические формы, в результате чего получается ковкий чугун (FCD). Из-за внешнего вида сферического графита его также называют «чугун с шаровидным графитом» или «чугун с шаровидным графитом».

Ковкий чугун — это тип «прочного чугуна (премиум-чугун)» с превосходной прочностью, в несколько раз превосходящий прочность серого чугуна. Это связано с шаровидным графитом, который снижает концентрацию напряжений вокруг графита при растяжении или изгибе.

Он обеспечивает отличную механическую прочность, износостойкость и термостойкость. Прочность и коррозионную стойкость можно повысить с помощью термообработки, но необходимо соблюдать осторожность из-за тенденции к усадке и образованию пор, вызванных магнием. Кроме того, его склонность к затвердеванию и удлинению может усложнить обработку.

Благодаря своей высокой прочности он широко используется в деталях, требующих прочности, таких как автомобильные компоненты, крышки дорожных люков, водопроводные и газовые трубы.

・Чугун с вермикулярным литьем (CV):

Чугун CV обладает характеристиками, которые лежат между характеристиками серого и ковкого чугуна. CV означает «Compacted Vermicular», что указывает на его вермикулярную графитовую структуру, напоминающую форму гусениц.

Чугун CV обладает прочностью, схожей с прочностью ковкого чугуна, при этом превосходя в обрабатываемости, литейных качествах, высокой теплопроводности и поглощении вибрации. Используя эти свойства, он находит применение в гидравлических клапанах и блоках цилиндров.

・Ковкий чугун:

Ковкий чугун (катан чутецу) создается путем термической обработки белого чугуна для повышения его пластичности. В отличие от серого и ковкого чугуна, которые образуют графит во время литья, ковкий чугун создается путем отжига белого чугуна и получения графита из цементита. Он компенсирует хрупкость и ограниченное удлинение чугуна, сохраняя литейные свойства, аналогичные серому чугуну. Он менее склонен к трещинам даже при ударе.

Ковкий чугун можно разделить на три типа в зависимости от методов термической обработки: «ковкий чугун с белой сердцевиной», «ковкий чугун с черной сердцевиной» и «ковкий чугун с перлитным составом».

Ковкий чугун с белой сердцевиной – Ковкий чугун с белой сердцевиной подвергся частичному удалению углерода (обезуглероживанию) посредством термической обработки. Поскольку в нем отсутствует графит, он проявляет свойства, схожие со сталью. Он сочетает в себе хорошую литейность и прочность, что позволяет выполнять сварку и пайку.

Ковкий чугун с черным сердцем – Термическая обработка разлагает цементит в белом чугуне, в результате чего образуется структура, состоящая из феррита и графита. Обладает мягкостью и хорошим удлинением.

Перлитный ковкий чугун – Перлит представляет собой слоистую структуру, состоящую из чередующихся слоев феррита (кристалла α-железа) и цементита. При более короткой термической обработке по сравнению с черносердечным ковким чугуном железная часть приобретает перлитную структуру. Она проявляет ударную вязкость и особенно высокую прочность на растяжение в ковком чугуне.

Характеристики чугуна:

Как уже упоминалось, чугун характеризуется более высоким содержанием углерода по сравнению с другими формами стали, такими как легированная сталь или углеродистая сталь. Наличие углерода приводит к более низкой температуре плавления, что позволяет проводить такие операции, как плавка и литье, при относительно низких температурах.

Более того, как видно из различных типов, характеристики чугуна зависят от таких факторов, как форма, размер и распределение графита. Это позволяет изменять свойства материала на основе распределения графита. Прочностные свойства можно изменять посредством термической обработки или добавления легирующих элементов.

Обрабатываемость и особенности обработки чугуна:

Чугун в целом обладает хорошей обрабатываемостью, что делает его металлом, который легко резать и обрабатывать. По сравнению со сталью и нержавеющей сталью, чугун имеет более низкое сопротивление резанию и выделяет меньше тепла при резке, что выгодно для удаления стружки. Однако правильный выбор инструмента и методов обработки по-прежнему имеют решающее значение. Вот некоторые моменты, которые следует учитывать при выборе инструментов для обработки чугуна и во время процесса обработки:

・Подходящие режущие инструменты для чугуна:

Благодаря структуре графита, заставляющей стружку разбиваться на более мелкие части, чугун обладает хорошими характеристиками эвакуации стружки. Графит также обеспечивает смазку, снижая сопротивление резанию. Однако чугун, как правило, твердый, и инструменты с острыми кромками и большими передними углами склонны к образованию сколов. Чтобы предотвратить образование сколов, рекомендуется выбирать пластины с отрицательным передним углом и меньшим передним углом.

・Важные моменты при обработке чугуна:

Для операций резки чугуна обычно используется сухая обработка без использования смазочно-охлаждающей жидкости. Мокрая обработка может использоваться для минимизации воздействия пыли, но необходима осторожность, так как влажная стружка может засорять канавки и режущие поверхности. Различные типы чугуна обладают разными механическими свойствами, поэтому необходимо корректировать условия резания. Как правило, серый чугун легче поддается обработке, в то время как ковкий чугун твердый и имеет тенденцию к удлинению, что делает сколы кромок более вероятными. Белый чугун, с другой стороны, особенно твердый и износостойкий, что делает обработку более сложной.

Проблемы при сварке чугуна:

Хотя чугун часто считается легкообрабатываемым, его часто считают сложным для сварки. Это в первую очередь связано с высоким содержанием углерода в чугуне. Чугун, как правило, имеет более низкую прочность на разрыв и не обладает пластичностью по сравнению со сталью.

Проблемы возникают из-за таких факторов, как образование хрупкой цементитной фазы при быстром охлаждении из расплавленного состояния, что приводит к повышенной восприимчивости к растрескиванию. Кроме того, сгорание графита во время сварки может привести к образованию газовых раковин (внутренних пустот) и ямок (поверхностных углублений). Для достижения успешных результатов сварки необходимо тщательно продумать методы сварки и сварочные стержни.

Понимание характеристик чугуна для обработки:

Хотя чугун может восприниматься как хрупкий и склонный к растрескиванию, он также может похвастаться такими свойствами, как твердость, отличная износостойкость и поглощение вибрации. Обрабатываемость считается хорошей, но механические свойства легкообрабатываемого серого чугуна и ковкого чугуна различаются. Различные типы чугуна демонстрируют различные характеристики, что требует корректировки режущих инструментов и условий резки.

Учитывая его в целом твердую и хрупкую природу, крайне важно выбрать инструменты и задать условия для решения проблемы сколов кромок и фрагментации материала. Кроме того, предотвращение износа станков из-за пыли и поддержание подходящей рабочей среды являются важными факторами. При обработке чугуна понимание характеристик каждого типа является ключом к выбору правильных инструментов и достижению успешной обработки.