Почему блок цилиндров из серого чугуна, коленвал из высокопрочного, а шары мельницы из белого? Меняй углерод, кремний и толщину стенки, смотри графит под микроскопом и как по нему бежит трещина.
Углерода в чугуне так много, что железо не может удержать его в себе. Лишний углерод выделяется либо в виде графита, мягкого и черного, либо связывается с железом в цементит, твердый и белый. Если графит застыл тонкими пластинками, получается серый чугун: он легко льется, гасит вибрацию и хорошо обрабатывается, но пластинки работают как готовые трещины, и на растяжение он слаб.
Добавь в жидкий чугун немного магния, и графит свернется в шарики: это высокопрочный чугун, почти такой же вязкий, как сталь. Если отливка остыла слишком быстро или в ней мало кремния, графит не успеет выделиться, и получится белый чугун: очень твердый и хрупкий. Его долгим отжигом превращают в ковкий, с хлопьями графита. А белый чугун с хромом это лучший материал против истирания рудой.
ⓘ Шлиф и трещина нарисованы по простой модели: состав и стенка выбирают вид чугуна, а количество и размер графита меняются вместе с углеродом и толщиной стенки. Свойства взяты близкими к ГОСТ 1412, 7293, 1215 и 7769.
Чугун выбирают по марке, а марку получают составом и скоростью охлаждения. Три карточки: как предсказать вид чугуна, как прочитать марку и почему форма графита решает прочность. Числа берутся из опыта.
Будет ли чугун серым или белым?
Чем больше CE и чем толще стенка, тем легче выделиться графиту. Тонкая стенка остывает быстро, и при том же составе в ней получается отбел: белый слой у поверхности.
Как прочитать марку чугуна?
Буквы говорят вид чугуна, число после них предел прочности в десятках МПа. У ковкого через дефис еще удлинение в процентах. У легированных ИЧХ буквы как у стали: Х хром, Н никель, цифры проценты.
Почему пластинка слабее шарика?
Коэффициент концентрации напряжений у кончика вытянутой полости. Длинная и острая пластинка поднимает напряжение у кончика в десятки раз, круглый шарик только втрое.
Чтобы выделился графит, атомам углерода нужно собраться вместе из большого объема металла. На это нужно время. Цементиту время не нужно: он образуется прямо на месте. Поэтому при быстром остывании выигрывает цементит, при медленном графит.
Толстая стенка отливки остывает минуты, тонкая секунды. Поэтому из одного ковша чугуна массивная станина выходит серой, а тонкое ребро или кромка белыми. Литейщик борется с отбелом кремнием (он «выталкивает» углерод в графит) и модифицированием: перед заливкой в ковш бросают ферросилиций, который дает графиту центры роста.
Магний делает другое: он очищает расплав от серы и кислорода и меняет поверхностное натяжение графита. Графит растет не пластинкой, а шаром. Магния нужно всего 0,04–0,06 %, но без него ВЧ не получится.
Блок дизеля самосвала отлит из серого или вермикулярного чугуна: сложная форма льется легко, графит гасит вибрацию и держит масло на стенке гильзы.
Серый чугун СЧ25–СЧ30 хорошо отводит тепло, не задирается и не трескается от нагрева. После долгого спуска с рудника барабан нагревается до сотен градусов.
Корпус из СЧ20 гасит шум шестерен. Там, где корпус получает удары, его льют из ВЧ: например, ступицы и картеры бортовых передач.
Броня шаровых мельниц и детали насосов для пульпы отливают из ИЧХ28Н2 и других хромистых чугунов: карбиды хрома тверже кварца, и износ идет в разы медленнее, чем у стали.
Шары мельниц делают из стали или из белого хромистого чугуна. Чугунные шары тверже, но хрупче: в мельнице большого диаметра с сильными ударами их колет.
Серый чугун плохо варится: у шва получается отбел и трещины. Трещину в корпусе заваривают с подогревом до 600 °C никелевыми электродами или стягивают накладками и штифтами.
Вид чугуна выбирается по углеродному эквиваленту CE = C + Si/3 и толщине стенки: порог отбела взят как 4,35 − 0,6 · lg t, половинчатая зона шириной 0,1, с магнием порог на 0,12 выше. Это упрощение структурных диаграмм вроде диаграммы Маурера; фосфор, сера, марганец и модифицирование ферросилицием не учтены. Доля феррита в основе зависит от кремния и толщины стенки. Прочность серого чугуна посчитана по CE, доле феррита и толщине стенки, свойства ВЧ и КЧ по доле феррита и углероду, белого и хромистого чугуна взяты справочными. Марки подобраны по минимальным σв и δ из ГОСТ 1412, 7293 и 1215; настоящая марка проверяется на отдельно отлитых образцах. Гашение вибрации, износостойкость и обрабатываемость это оценки по пятибалльной шкале. Трещина в образце нарисована условно: в сером чугуне она перескакивает по ближайшим пластинкам, в ВЧ и КЧ останавливается на первой частице графита, а образец ВЧ на деле все равно разрушится, но после большого удлинения. Коэффициент Kt дан для одиночного эллиптического включения.