Меню
Бесплатно
Регистрация
Главная  /  Расчет  /  Основные виды чугунов. Термин чугун, получение и применение чугуна, свойства чугуна. Основные характеристики и состав

Основные виды чугунов. Термин чугун, получение и применение чугуна, свойства чугуна. Основные характеристики и состав

Чугун начали применять много десятилетий назад. Этот материал обладает особыми эксплуатационными характеристиками, которые отличаются от свойственных стали. Производство чугуна, несмотря на появление большого количества различных сплавов, налажено во многих странах. Для того чтобы определить свойства чугуна, следует рассмотреть особенности его химического состава, от чего зависят те или иные физические качества.

Химический состав чугуна является важным фактором, который во многом определяет механические свойства получаемых отливок. Кроме этого, на многие свойства оказывает влияние механизмы первичной и вторичной кристаллизации.

Рассматривая химический состав чугуна следует отметить, что в него, кроме железа и углерода, обязательно входят следующие элементы:

  1. Кремний (концентрация не более 4,3%). Данный элемент оказывает благоприятное воздействие на чугун, делая его более мягким и улучшая его литейные свойства. Однако слишком высокая концентрация может сделать материал более восприимчивым к пластичной деформации.
  2. Марганец (не более 2%). За счет добавления этого элемента в состав существенно увеличивается прочность материала. Однако слишком большая концентрация может стать причиной хрупкости структуры.
  3. Сера относится к вредным примесям, который могут существенно ухудшать эксплуатационные качества материала. Как правило, концентрация серы в составе чугуна не превышает показателя 0,07%. Сера становится причиной появления трещин при нагреве состава.
  4. Фосфор содержится в составе в концентрации менее 1,2%. Повышение концентрации фосфора в составе становится причиной появления трещин при охлаждении состава. Кроме этого, данный элемент становится причиной ухудшения других механических качеств.

Как и во многих других составах, наиболее важным из химических элементов чугуна является углерод. От его концентрации и вида зависит разновидность материала. Структура чугуна может существенно различаться в зависимости от применяемой технологии производства.

Физический свойства

Чугун получил широкое распространение благодаря привлекательным физическим качествам:

  1. Стоимость материала существенно ниже стоимости других сплавов. Именно поэтому его применяют для создания самых различных изделий.
  2. Рассматривая плотность чугуна, отметим, что данный показатель существенно ниже, чем у стали, за счет чего материал становится намного легче.
  3. Температура плавления чугуна может несколько различаться в зависимости от его структуры, в большинстве случаев составляет 1 200 градусов Цельсия. За счет включения в состав различных добавок температура плавления чугуна может существенно повышаться или уменьшаться.
  4. При выборе материала многие уделяют внимание тому, что цвет чугуна может несколько отличаться в зависимости от структуры и химического состава.

Температура кипения чугуна также во многом зависит от химического состава. Для того, чтобы рассмотреть физические свойства материала, следует уделить внимание каждой его разновидности. Иная структура и химический состав становятся причиной придания иных физико-механических качеств.

Технология производства

Выплавка чугуна проводится на протяжении нескольких десятилетий, что связано с его уникальными эксплуатационными качествами. Большое количество разновидностей сплавов определяет применение особых правил маркировки. Маркировка чугунов проводится следующим образом:

  1. Литейные обозначаются буквой Л.
  2. Серый получил широкое распространение, для его обозначения применяется сочетание букв «СЧ».
  3. Ковкий обозначают КЧ.
  4. Предельный или белый обозначают буквой П.
  5. Антифрикционный или серый обозначают АЧС.
  6. Легированные чугуны могут обладать самым различным химическим составом и обозначаются буквой «Ч».

Технология производства чугуна предусматривает проведение нескольких этапов, которые позволяют получить требуемую структуру. Рассматривая процесс получения чугуна, отметим следующие моменты:

  1. Производство проводится в специальных доменных печах.
  2. Легированный и жаростойкий чугун могут получаться при использовании в качестве сырья железной руды.
  3. Технология представлена в восстановлении оксидов железа руды. В результате перестроения кристаллической решетки и изменения структуры на выходе получается материал, который называют чугуном.
  4. Рассматривая способы производства, отметим, что особенности технологии также заключаются в применяемых материалах – коксах. Под коксом подразумевают природный газ или термоантрацит, выступающие в качестве топлива.
  5. Изготовление чугуна предусматривает отпуск железа в твердой форме при применении специальной печи. На данном этапе получается жидкий чугун.

Оборудование для производства чугуна может существенно отличаться. Кроме этого, применяемая технология производства во многом определяет то, какой будет получен материал. Примером можно назвать производство ВЧШГ, которое связано с приданием структуре необычную форму.

Разновидности чугуна

Существует довольно большое количество разновидностей рассматриваемого материала. Классификация чугунов во многом зависит от структуры и химического состава. Выделяют следующие виды чугуна:

Каждая разновидность чугуна обладает своей особой структурой и химическим составом, которые и определяют область применения.

Применение

Из-за особых физико-механических качеств применение чугуна стало возможно в самых различных сферах:

  1. Для производства различных деталей в машиностроительной отрасли. На протяжении многих лет именно этот сплав применяется при изготовлении самых различных деталей для двигателя внутреннего сгорания. При этом автопроизводители проводят изменение основных свойств материала путем его легирования, что необходимо для достижения уникальных качеств. Кроме этого, большое распространение получили тормозные колодки из данного сплава.
  2. Изделия из чугуна могут выдерживать воздействие низкой температуры. Поэтому материал применяется при производстве техники и инструментов, которые эксплуатируются в жестких климатических условиях.
  3. Ценится чугун в металлургической области. Это связано с невысокой стоимостью, которая во многом зависит от концентрации углерода и особенностей получаемой структуры. Высокие литейные качества также делают материал более привлекательным. Получаемые изделия характеризуются высокой прочностью и износостойкостью.
  4. На протяжении нескольких последних десятилетий рассматриваемый сплав широко применяется при изготовлении сантехнического оборудования. Это связано с высокими антикоррозионными способностями, а также возможностью получения изделий самой различной формы. Примером можно назвать чугунные ванны и радиаторы, различные трубы, батареи и мойки. Несмотря на появление материалов, которые могли бы заменить чугун, подобные изделия пользуются большой популярностью. Это связано с тем, что они сохраняют первозданный вид на протяжении длительного периода эксплуатации.
  5. Применяется сплав и для изготовления различных декоративных элементов, что связано с высокими литейными качествами. Примером можно назвать решетку для перил, различные статуэтки и многое другое.




Кроме этого, область применения зависит от нижеприведенных свойств рассматриваемого материала:

  1. Некоторые марки обладают высокой прочностью, которая характерна для стали. Именно поэтому материал применяется даже после появления современных сплавов.
  2. Чугунные изделия могут на протяжении длительного периода сохранять тепло. При этом тепловая энергия может равномерно распространяться по материалу. Эти качества стали использоваться при изготовлении отопительных радиаторов или других подобных изделий.
  3. Принято считать, что чугун – экологически чистый материал. Именно поэтому его часто применяют при изготовлении различной посуды, к примеру, казана.
  4. Высокая стойкость к воздействию кислотно-щелочной среды.
  5. Высокая гигиеничность, так как все загрязняющие вещества могут легко удаляться с поверхности.
  6. Рассматриваемый материал характеризуется достаточно длительным сроком службы при условии соблюдения рекомендаций по эксплуатации.
  7. Входящие в состав химические вещества не могут нанести вреда здоровью.

В заключение отметим, что давно открытая технология производства рассматриваемого материала на протяжении многих лет оставалась практически неизменной. Это связано с тем, что при относительно невысоких затратах можно было получить большой объем расплавленного сплава. На сегодняшний день часто проводится производство материала из лома, что позволяет еще в большой степени снизить себестоимость получаемого продукта.

Наверняка многие сталкивались в быту или же на производстве с чугунными изделиями. Этот материал обладает хорошей прочностью и превосходными литейными качествами.

Чугун это стальной, или же правильнее сказать, железоуглеродистый сплав, состоящий из железа и углерода, который имеет объем от 2,14 % до максимальных 6,67 % и может входить в состав как цементит или же графит. Чугун по определению относится к машиностроительному материалу, отличающемуся дешевизной, а также простотой в производстве и служит основой для выплавки стали. Его получение относится к сложным химическим процессам, протекающим на определенных стадиях производства.

Основные характеристики и состав

Данный сплав помимо железа с углеродом включает дополнительные примеси, влияющие на его свойства. Разнообразный состав чугуна, обеспечивает ему высокую твердость, текучесть, повышает хрупкость. В него включаются: сера, кремний, марганец, фосфор. Сплав чугуна из-за входящего углерода имеет высокие показатели по твердости, но при этом снижается ковкость, а также пластичность вещества. Для придания металлу особых характеристик добавляются некоторые присадки. В качестве легирующих компонентов применяются: никель, ванадий, а также хром, алюминий. Формула чугуна состоит из железоуглеродистой основы с дополнительными включениями. Обладает плотностью порядка 7,2 г/см3, что является довольно высоким значением для металлических соединений.

Состоит чугун из нескольких компонентов, из-за чего свойства его вариаций могут существенно отличаться. Кроме углерода и железа, состав включает до 2 % марганца, 1,2 % фосфора, 4,3 % кремния и до 0,07 % серы. Кремний отвечает за состояние жидкотекучести, значительно улучшает литейные качества, а также делает мягче. Для усиления прочности используют марганец. Добавление серы снижает тугоплавкость и понижает его жидкотекучесть. Кроме того, она оказывает вредное воздействие, проявляющееся в появлении на горячих отливках трещин (красноломкость). Наличие фосфора снижает механические свойства, однако позволяет отливать предметы сложной формы.

Структура чугуна выглядит как металлическая основа с включениями из графита. В зависимости от вида, включает перлит, пластинчатый графит, а также ледебурит. Данные элементы определяют его характеристики и присутствуют в различных количествах или же полностью отсутствуют.

Температура плавления составляет от минимальных +1160 °С до максимальных +1250 °С. Имеет высокие антикоррозионные показатели, активно противодействует как сухой (химической), так и влажной коррозии. Благодаря ему появилась на свет нержавейка – стальной сплав, имеющий высокое содержание хромовой составляющей.

Область применения

Чугун широко используется в машиностроении при отливке разнообразных деталей. Применяется для изготовления коленчатых валов, а также двигательных блоков. Кроме того, производятся высококачественные колодки, имеющие высокую устойчивость к трению. Применяются при низких температурах, где применяется исключительно чугун благодаря своим высоким эксплуатационным свойствам. Данные качества используют при производстве различных элементов машин, где используется чугунный сплав для работы в жестком климате. Этот материал широко применяется металлургами благодаря превосходным литейным характеристикам и невысокой цене. Отлитые изделия имеют высокую износостойкость, повышенную прочность.

Многие сантехнические детали также изготавливаются из чугунной основы. Это батареи, радиаторы отопления, трубы, ванны, разнообразные раковины с мойками. Многие изделия служат и по сей день, хотя устанавливались несколько десятилетий назад. Эти предметы сохраняют первоначальный облик долгие годы и не требуют проведения реставрационных работ. Кроме того, чугунная посуда считается одной из самых удобных при готовке многих блюд.

Разновидности

Чугунный сплав по своим характеристикам подразделяется на передельный, а также литейный. Первый применяют при выплавке стали, используя кислородно-конвертерный метод. Данный вид отличается пониженным количеством марганца и кремния. Литейный чугунный материал служит для производства многочисленных деталей. Образцы изделий из этой основы можно увидеть на соответствующих фото.

К особой разновидности относятся никельхромистые сплавы (нихарды). К ним относится низкоуглеродистый, а также высокоуглеродистый чугун. Первый отличается усиленной прочностью, а второй – повышенной износостойкостью. Основными разновидностями являются белый и серый сплавы. Эти материалы отличаются содержанием углерода, а также свойствами. Кроме того, активно используются ковкие, легированные и высокопрочные виды.

Серый

Серые чугуны имеют низкую пластичность, вязкость, легко поддаются резке при обработке. Применяются при изготовлении неответственных деталей, а также элементов, работающих на износ. В сером чугуне углерод содержится в виде графита, перлита либо феррито-перлита. Его количество составляет около 2,5 %, что обеспечивает высокую прочность изделиям. Из серого сплава изготавливают корпуса различного промышленного оборудования, зубчатые шестеренки, кронштейны, втулки. Материал, содержащий высокое количество фосфора (порядка 0,3 – 1,2 %) обладает хорошей жидкотекучестью и применяется в художественном литье.

Белый

Содержит большое количество углерода (свыше 3 %), представленного в виде цементита либо карбида. Белый цвет в месте разлома данного материала дал название и соединению. Сплав этого вида имеет повышенную ломкость, а также хрупкость, что значительно сужает область использования. На его основе производят детали незамысловатой формы для выполнения статических функций без воздействия значительных нагрузок. Технические характеристики белого материала можно улучшить путем добавления легирующих компонентов. Для этого используется никель, хром, гораздо реже – алюминий либо ванадий. Марка с такими присадками называется «сормайт». Ее используют в качестве нагревательного элемента в разнообразных устройствах. Сормайт отличается стабильными характеристиками при температурных значениях не более +900 °С. Этот материал служит основой при изготовлении обычных бытовых ванн.

Ковкий

Этот вид получают из белого путем отливки с дальнейшей термообработкой. При этом применяется отжиг длительного воздействия, при котором цементит распадается, образуя графит. Этот процесс получил название графитизация с образованием в структуре углеродистых хлопьев. Графит приобретает такую форму благодаря продолжительному отжигу. Это положительно влияет на металлическую основу, которая становится более цельной, пластичной и вязкой.

Ковкий чугун прекрасно эксплуатируется при пониженных температурах и не сильно чувствителен к надрезам. Применяется при изготовлении элементов, работающих при непрерывном трении. Помимо этого, ковкий сплав служит основой для изделий весьма сложной конфигурации: угольники, тормозные колодки, тройники, автомобильные картеры для задних мостов и прочих конструкций. Улучшение свойств достигается путем добавления бора, теллура, магния.

Высокопрочный

Обладает повышенной прочностью и используется для получения изделий ответственного назначения, а в некоторых случаях заменяет даже сталь. Этот высокопрочный чугун получают добавлением в серый вид особых примесей (церий, кальций, иттрий, магний). Из него производят шестерни, поршни, коленчатые валы и прочие детали. Высокая теплопроводность позволяет отливать элементы для отопительных узлов, а также трубопроводов.

Легированный

Чугунный сплав легированного вида содержит дополнительные примеси. В состав входят в повышенном содержании титан, никель, хром, а также цирконий, ванадий, молибден, алюминий и прочие элементы. Они придают высокую прочность, твердость, износостойкость. Применяются легированные материалы при производстве деталей механизмов, взаимодействующих с газовыми, агрессивными средами, а также работающих под воздействием водных растворов.

Преимущества металла

Этот сплав относят к материалам, производимым черной металлургией. Его зачастую сравнивают со сталью при определении тех или же иных характеристик. Сделанный из чугуна предмет имеет невысокую стоимость по сравнению со стальным аналогом. Помимо этого, чугунные элементы имеют меньший вес и прочность. Эти свойства чугуна значительно расширяются за счет использования различных добавок в сплавы. Его параметры имеют следующие положительные качества:

  • экологически чистый материал, что используется при производстве бытовых предметов, в том числе и посуды;
  • устойчив к кислотно-щелочной среде;
  • гигиеничен;
  • способность длительного сохранения температуры;
  • некоторые виды имеют прочность, сопоставимую со сталью;
  • длительность эксплуатации, при которой его качественные показатели только улучшаются;
  • полная безвредность для организма.

Производство

Получение чугунного сплава относится к материалоемким и затратным процессам. На выплавку одной тонны материала потребуется порядка 900 л обычной воды и около 550 кг кокса. Температура плавления составляет порядка +1200 °С, что требует наличия специфического плавильного оборудования. Для получения массы необходима руда, где массовая доля содержащегося железа составляет свыше 70 %. Обедненные рудные породы не используются по причине экономической неэффективности.

Материал выплавляют в особых доменных печах. Там железная руда проходит полный технологический цикл, начиная с восстановления оксидов руды и заканчивая получением на выходе чугунного сплава. Литье материала требует наличия топлива: кокса, термоантрацита, а также природного газа. По окончании восстановительного процесса железо в твердой форме помещается в особую часть печи для растворения в нем углерода. После взаимодействия получается чугунная масса, которая в жидком виде опускается вниз. Нерасплавленные примеси выталкиваются на поверхность и впоследствии удаляются. Этот шлак применяется для производства многочисленных материалов. После удаления из расплава ненужных частиц, проводят добавление присадок для получения определенных марок чугунных сплавов.

Многие знают о таком материале как чугун и его прочностных характеристиках. Сегодня мы с вами углубим эти знания и выясним, что такое чугун, из чего он состоит, каких видов бывает и как производится.

Состав

Что такое чугун? Это сплав из железа, углерода и разнообразных примесей, благодаря которым он обретает необходимые свойства. Материал должен иметь в своем составе не менее 2,14% углерода. В противном случае, это будет сталь, а не чугун. Именно благодаря углероду чугун обладает повышенной твердостью. Вместе с тем, данный элемент снижает пластичность и ковкость материала, придавая ему хрупкость.

Кроме углерода, в состав чугуна в обязательном порядке входят: марганец, кремний, фосфор и сера. В некоторые марки также вносят дополнительные присадки, для придания материалу специфических свойств. Среди часто используемых легирующих элементов можно отметить: хром, ванадий, никель и алюминий.

Материал имеет плотность 7,2 г/см 3 . Для металлов и их сплавов это достаточно высокий показатель. Чугун хорошо подходит для производства всяческих изделий путем литья. В этом плане он превосходит все сплавы железа кроме некоторых марок стали.

Температура плавления чугуна равна 1200 градусам. У стали данный показатель выше на 250-300 градусов. Причина тому кроется в повышенном содержании в чугуне углерода, которое обуславливает менее тесные связи между атомами железа. Во время выплавки чугуна и его последующей кристаллизации, углерод в полной мере не успевает внедриться в структуру железа. Поэтому материал получается хрупким. Структура чугуна не позволяет использовать его для производства продукции, которая постоянно подвержена динамическим нагрузкам. А вот для чего чугун подходит идеально, так это для деталей, которые должны обладать повышенной прочностью.

Получение

Получение чугуна - весьма затратный и материалоемкий процесс. Чтобы получить одну тонну сплава, необходимо 550 кг кокса и 900 л воды. Что касается руды, то ее количество зависит от содержания в ней железа. Как правило, используется руда с массовой долей железа не менее 70%. Обработка менее богатых руд нецелесообразна с экономической точки зрения.

Прежде чем отправиться на переплавку, материал обогащается. Производство чугуна в 98% случае происходит в доменных печах.

Технологический процесс включает в себя несколько этапов. Сначала в доменную печь загружается руда, в состав которой входит магнитный железняк (соединение двух- и трехвалентного оксида железа). Также могут использоваться руды, в которых содержатся водная окись железа или его солей. Кроме сырья, в печь кладут коксующиеся угли, необходимые для создания и поддержания высокой температуры. Продукты горения углей как восстановители железа также участвуют в химических реакциях.

Дополнительно в топку подается флюс, играющий роль катализатора. Он ускоряет процесс плавления пород и освобождения железа. Важно отметить, что прежде чем попасть в топку, руда должна пройти специальную обработку. Так как мелкие части лучше плавятся, ее предварительно измельчают на дробильной установке. Затем руду промывают, чтобы избавиться от примесей, не содержащих металла. Затем сырье высушивается и проходит обжиг в печах. Благодаря обжигу из него удаляется сера и прочие чужеродные элементы.

После полной загрузки печи начинается второй этап производства. Когда горелки запущены, кокс постепенно разогревает сырье. При этом выделяется углерод, который реагирует с кислородом и образует оксид. Последний принимает активное участие в восстановлении железа из находящихся в руде соединений. Чем больше газа накапливается в печи, тем медленнее протекает реакция. Когда нужная пропорция достигнута, реакция и вовсе останавливается. Избыток газов в дальнейшем служит топливом для поддержания необходимой температуры в печи. У этого метода есть несколько сильных сторон. Во-первых, он позволяет снизить затраты горючего, что удешевляет производственный процесс. И, во-вторых, продукты горения не попадают в атмосферу, загрязняя ее, а продолжают участвовать в производстве.

Избыток углерода перемешивается с расплавом и поглощается железом. Так и получается чугун. Примеси, которые не расплавились, всплывают на поверхность смеси и удаляются. Их называют шлаком. Шлак находит применение в производстве некоторых материалов. Когда из расплава удалены все лишние частицы, в него добавляют специальные присадки.

Разновидности

Что такое чугун и как его получают, мы уже выяснили, теперь разберемся с классификацией этого материала. Описанным выше путем получают передельный и литейный чугун.

Передельный чугун используется в производстве стали по кислородно-конвертерному пути. Этот вид отличается низким содержанием кремния и марганца в сплаве. Литейный чугун применяют в производстве всяческой продукции. Он делится на пять видов, каждый из которых рассмотрим отдельно.

Белый

Это сплав отличается содержанием избыточной части углерода в виде карбида или цементита. Название этому виду было дано за белый цвет в месте разлома. Содержание углерода в таком чугуне обычно превышает 3%. Белый чугун отличается высокой хрупкостью и ломкостью, поэтому его применяют ограниченно. Данный вид используют для производства деталей простой конфигурации, которые выполняют статические функции и не несут больших нагрузок.

Благодаря добавлению в состав белого чугуна легирующих присадок, можно повысить технические параметры материала. С этой целью чаще всего используют хром или никель, реже - ванадий или алюминий. Марка с подобного рода присадками получила название «сормайт». Она используется в различных устройствах как нагревательный элемент. «Сормайт» обладает высоким удельным сопротивлением, и хорошо работает при температурах не выше 900 градусов. Самое распространенное применение белого чугуна - производство бытовых ванн.

Серый

Это наиболее распространенная разновидность чугуна. Она нашла применение в разных областях народного хозяйства. В сером чугуне углерод представлен в виде перлита, графита или же феррито-перлита. В таком сплаве содержание углерода составляет порядка 2,5%. Как для чугуна, этот материал обладает высокой прочностью, поэтому его используют в производстве деталей, которые получают циклическую нагрузку. Из серого чугуна делают втулки, кронштейны, зубчатые шестеренки и корпуса промышленного оборудования.

Благодаря графиту серый чугун снижает силу трения и улучшает действие смазок. Поэтому детали из серого чугуна имеют высокую стойкость к данному виду износа. При эксплуатации в особо агрессивных средах в материал вводятся дополнительные присадки, позволяющие нивелировать негативное воздействие. К таковым относятся: молибден, никель, хром, бор, медь и сурьма. Эти элементы защищают серый чугун от коррозии. Кроме того, некоторые из них повышают графитизацию свободного углерода в сплаве. Благодаря этому создается защитный барьер, предотвращающий попадание на поверхность чугуна разрушающих элементов.

Половинчатый

Промежуточным материалом между двумя первыми разновидностями является половинчатый чугун. Содержащийся в нем углерод представлен в виде графита и карбида приблизительно в равных долях. Кроме того, в таком сплаве могут присутствовать в незначительных количествах лидебурит (не более 3%) и цементит (не более 1%). Общее содержание углерода в половинчатом чугуне колеблется 3,5 до 4,2%. Данная разновидность применяется для производства деталей, которые эксплуатируются в условиях постоянного трения. К таковым можно отнести автомобильные тормозные колодки, а также валки для измельчительных станков. Для еще большего повышения износостойкости в сплав добавляют всяческие присадки.

Ковкий

Этот сплав представляет собой разновидность белого чугуна, который с целью графитизации свободного углерода подвергается специальному обжигу. По сравнению со сталью, такой чугун имеет улучшенные демпфированные свойства. Кроме того, он не столь чувствителен к надрезам и хорошо работает в условиях низких температур. В таком чугуне массовая доля углерода составляет не более 3,5%. В сплаве он представлен в виде феррита, зернистого перлита, содержащего вкрапления графита или феррито-перлита. Ковкий чугун, как и половинчатый, используют в основном в производстве деталей, эксплуатирующихся в условиях непрерывного трения. Для повышения эксплуатационных характеристик материала в сплав добавляют магний, теллур и бор.

Высокопрочный

Данный вид чугуна получается вследствие образования в металлической решетке включений графита шаровидной формы. Из-за этого металлическая основа кристаллической решетки ослабевает, и сплав обретает улучшенные механические свойства. Образование шаровидного графита происходит благодаря введению в материал магния, иттрия, кальция и церия. Высокопрочный чугун близок по своим параметрам к высокоуглеродистой стали. Он неплохо поддается литью и может полностью заменить стальные детали механизмов. Благодаря высокой теплопроводности данный материал может быть использован для изготовления трубопроводов и отопительных приспособлений.

Трудности промышленности

На сегодняшний день литье чугуна имеет сомнительные перспективы. Дело в том, что из-за высокого уровня затрат и большого количества отходов промышленники все чаще отказываются от чугуна в пользу дешевых заменителей. Благодаря быстрому развитию науки уже давно стало возможным получение более качественных материалов при меньших затратах. Серьезную роль в этом вопросе играет защита окружающей среды, которая не приемлет использование доменных печей. Чтобы полностью перевести выплавку чугуна на электрические печи, нужны годы, если не десятилетия. Почему так долго? Потому что это очень дорого, и далеко не каждое государство может себе это позволить. Поэтому остается лишь ждать, пока наладится массовый выпуск новых сплавов. Конечно же, полностью прекратить промышленное применение чугуна в ближайшее время не получится. Но очевидно, что масштабы его производства будут падать с каждым годом. Эта тенденция началась еще 5-7 лет тому назад.

Заключение

Разобравшись с вопросом: «Что такое чугун?», можно сделать несколько выводов. Во-первых, чугун представляет собой сплав из железа, углерода и присадок. Во-вторых, он имеет шесть видов. В-третьих, чугун весьма полезный и универсальный материал, поэтому долгое время его дорогостоящее производство было целесообразно. В-четвертых, на сегодняшний день чугун уже считается пережитком прошлого, и планомерно уступает свои позиции более надежным и дешевым материалам.

Чугун вошел в нашу жизнь много столетий тому назад и остается популярным и по сей день . Он нашел широкое применение во многих областях. Однако чтобы разобраться, что такое чугун, важно знать его свойства и химический состав, структуру и особенности его сплавов, достоинства и недостатки этого материала, а также его производство и сферы применения.

Химический состав чугуна

Чугун - это сплав железа и углерода, в котором процентное содержание углерода составляет не менее 2,14%, но не более 4,5%. Углерод входит в состав чугуна в форме цементита либо графита. Если процент содержания углерода составляет меньше 2,14%, такой сплав именуется сталью.

Известно, что чугунный сплав впервые был произведен в Китае в VI веке. В Европу секрет его производства пришел в XIV веке, а в России его состав был доведен до совершенства лишь в XVII. За все это долгое время формула чугуна не изменилась.

Самый качественный материал производился на литейном заводе братьев Демидовых, расположенном на Урале.

По прошествии веков он не только не утратил своей актуальности, но и приобрел еще более обширный спектр применения.

Существуют такие виды чугуна, как предельный и литейный . Первый используют при производстве стали по кислородно-конвертерному пути. Кремний и марганец в таком сплаве содержится в очень малом количестве. Литейный вид материала более широко используется в промышленности и производстве. Он, в свою очередь, подразделяется на следующие виды:

  • Белый чугун - в нем углерод представляет собой карбид железа. При этом на его разломе видно белый отлив, откуда и пошло его название. В чистом виде он не используется. Применяется в процессе производства ковкого чугуна.
  • Для серого чугуна характерен серебристый отлив на изломе. Он имеет широкую сферу применения и отлично обрабатывается при помощи резцов.
  • Высокопрочный сплав используется для повышения прочностных характеристик изготавливаемого материала. Его получают из серого чугуна путем добавления к его массе примеси магния.
  • Ковкий чугун также является одной из разновидностей серого чугуна. Его название говорит о том, что он обладает повышенной пластичностью, а получают его из белого чугуна при помощи отжига.
  • Половинчатый - обладает специальными свойствами. Часть углерода в его составе находится в виде графита, остальная часть - в виде цементита.

Особенности сплава

Главная особенность чугуна скрыта в процессе его изготовления. Дело в том, что у разных видов этого сплава температура плавления достигает 1200ºС, в то время как у стали она составляет 1500 ºС. На этот фактор влияет слишком высокое содержание углерода. Атомы железа и углерода между собой имеют не очень тесные связи.

Когда происходит выплавка, атомы углерода не могут целиком внедриться в молекулярную решетку железа, из-за чего чугунный сплав приобретает хрупкость. В связи с этим его не используют в производстве деталей, которые будут постоянно подвергаться нагрузке.

Этот материал относится к отрасли черной металлургии и по своим характеристикам схож со сталью. Изделия из чугуна и стали нашли широкое применение в повседневной жизни, и оно является целиком оправданным.

Если сравнивать характеристики этих металлов, можно сделать следующие заключения:

  1. Стоимость стальных изделий выше стоимости чугунных.
  2. Различия в цвете: чугун темный и матовый, а сталь - светлая и блестящая.
  3. Сталь хуже поддается литью, но, в отличие от чугуна, легче поддается ковке и сварке.
  4. Сталь обладает большей прочностью, нежели чугунный сплав.
  5. Сталь тяжелее по весу.
  6. В ней содержание углерода ниже, чем в чугуне.

Достоинства и недостатки

Этот материал, как и любой другой, имеет свои сильные и слабые стороны.

К достоинствам чугуна относятся такие факторы:

  • Иногда его даже сравнивают по характеристикам со сталью, ведь определенные его виды отличаются повышенной прочностью.
  • Длительное время сохраняет температуру: при нагревании тепло по нему распределяется равномерно и долгое время остается неизменным.
  • Является экологически чистым материалом, благодаря чему нередко используется при изготовлении посуды, в которой непосредственно будет готовиться пища.
  • Не реагирует на кислотно-щелочную среду.
  • Является долговечным материалом.
  • Чем дольше используется изделие из этого материала, тем лучше становится его качество.
  • Этот материал является абсолютно безвредным для организма человека.

К недостаткам можно отнести следующие факторы:

Характерные черты и свойства чугуна

Этот металлический сплав обладает такими свойствами:

  1. Физические свойства: удельный вес, действительная усадка, коэффициент линейного расширения. Например, содержание углерода в чугуне напрямую влияет на его удельный вес.
  2. Тепловые свойства. Теплопроводность обычно рассчитывают по правилу смещения. Для твердого состояния металла объемная теплоемкость составляет 1 кал/см3*оС. Если металл находится в жидком состоянии, то она примерно равна 1,5 кал/см3*оС.
  3. Механические свойства. Примечательно, что на эти свойства влияет как сама основа, так и форма и размеры графита. Серый чугун с перлитной основой является наиболее прочным, а с ферритной - самым пластичным. Пластинчатая форма графита характеризуется максимальным снижением прочности, в то время как у шаровидной формы это снижение минимально.
  4. Гидродинамические свойства. Наличие в составе марганца и серы влияет на вязкость материала. Также она имеет свойство увеличиваться, когда температура сплава переходит точку начала затвердевания.
  5. Технологические свойства. Этому металлу характерны отличные литейные качества, а также стойкость к износу и вибрации.
  6. Химические свойства. По мере убывания электродного потенциала структурные составляющие сплава располагаются в следующем порядке: цементит - фосфидная эвтектика - феррит.

На свойства сплава также оказывают влияние специальные примеси:

Состав и структура металла

Чугун в качестве структурного материала представлен металлической полостью с графитными включениями. Основными его компонентами выступают перлит, ледебурит и пластичный графит. Интересно, что в различных видах сплавов эти элементы присутствуют в неодинаковых пропорциях либо могут совсем отсутствовать.

По своей структуре чугунный сплав разделяется на следующие разновидности:

  • Перлитный.
  • Ферритный.
  • Ферритно-перлитный.

При этом графит может присутствовать в нем в одной из таких форм:

Производственные технологии

Как известно, чугун производится в специальных доменных печах. Основным сырьем для его получения служит железная руда. Технологический процесс изготовления состоит в восстановлении оксидов железной руды и получении в результате этого иного материала - чугуна. Для его изготовления используются такие виды топлива, как кокс, термоантрацит, природный газ.

Для производства одной тонны чугуна требуется около 550 килограмм кокса и приблизительно тонна воды. Объемы загружаемой в печь руды будут зависеть от содержания в ней железа. Как правило используют руду, в составе которой содержится железа не менее 70%. Все дело в том, что экономически нецелесообразно использовать меньшую его концентрацию.

Первым этапом производства чугуна является его выплавка. В доменную печь засыпается руда, а затем - коксующийся уголь, который необходим для нагнетания и поддержания требуемой температуры внутри шахты печи. Эти составляющие во время горения принимают активное участие в протекающих химических реакциях в качестве восстановителей железа.

Тем временем в печь погружается флюс, который выступает в роли катализатора. Ускоряя плавку пород, он тем самым поддерживает скорейшее высвобождение железа. Немаловажно знать, что перед загрузкой в печь руда проходит необходимую предварительную обработку. Она измельчается на дробильной установке, поскольку более мелкие частицы плавятся быстрее. Затем ее промывают, чтобы удалить частицы, не содержащие металл. Далее сырье подвергается обжигу, вследствие чего из него извлекается сера и другие инородные компоненты.

На втором этапе производства в заполненную и готовую к эксплуатации печь подается через специальные горелки природный газ. Кокс участвует в разогреве сырья. Происходит выделение углерода, который, соединяясь с кислородом, образует оксид. Он, в свою очередь, способствует восстановлению железа из руды.

При увеличении объема газа в печи снижается скорость протекания химической реакции. Она может и совсем остановиться при достижении определённого соотношения газа. Углерод проникает в сплав и соединяется с железом, при этом образуя чугун. Нерасплавленные элементы остаются на поверхности и вскоре удаляются. Такие отходы называются шлаком. Его используют для изготовления других материалов.

Сфера использования

Этот металл используется в различных отраслях промышленности. Например, он широко применяется в машиностроении для производства различных деталей.

Чаще всего этот материал используется в производстве блоков для двигателей и коленчатых валов. Для изготовления последних необходим усовершенствованный сплав с добавлением специальных примесей из графита. Этот металл устойчив к трению, поэтому из него производят тормозные колодки высокого качества.

В жестких климатических условиях чугунный сплав незаменим, так как он позволяет изготовленным из него деталям машин работать бесперебойно даже при самых низких температурах.

В металлургической промышленности он себя также отлично зарекомендовал. Высоко ценятся его превосходные литейные свойства и относительно невысокая цена. Изделия из него отличаются очень высокой прочностью и износостойкостью.

Из чугунного сплава делается великое множество сантехнических изделий. Это батареи, раковины, разнообразные мойки и трубы. Широкой популярностью пользуются чугунные ванны и радиаторы отопления. Срок их службы весьма длительный. Во многих квартирах по сей день используются данные изделия, потому как они долго сохраняют свой первозданный вид и редко нуждаются в реставрации.

Немаловажен и тот факт, что превосходные литейные свойства чугуна позволяют изготавливать из него целые произведения искусства: такие как ажурные кованые ворота и всевозможные памятники архитектуры.

Примечательно, что цена за 1 килограмм чугуна обусловлена количеством находящегося в его составе углерода, а еще наличием разнообразных примесей и легирующих компонентов. Цена тонны чугуна составляет около 8000 рублей.

На сегодняшний день не существует ни одной сферы, где бы ни использовался этот металл. Его литье и сплавы выступают основой многих узлов, механизмов и деталей. Иногда он используется в качестве самостоятельного изделия, прекрасно справляясь с возложенными на него функциями. Это железосодержащее соединение является уникальным в своем роде. Оно остается незаменимым и поныне.

Сегодня почти нет ни одной сферы жизни человека, где бы не применялся чугун. Этот материал известен человечеству уже достаточно давно и превосходно зарекомендовал себя с практической точки зрения. Чугунное литье - основа великого множества деталей, узлов и механизмов, а в некоторых случаях даже самодостаточное изделие, способное выполнять возложенные на него функции. Поэтому в данной статье мы уделим самое пристальное внимание данному железосодержащему соединению. Также выясним, какие бывают виды чугуна, их физические и химические особенности.

Определение

Чугун - это поистине уникальный сплав железа и углерода, в котором Fe более 90%, а C - не более 6,67%, но и не менее 2,14%. Также углерод может находиться в чугуне в виде цементита или же графита.

Углерод дает сплаву достаточно высокую твёрдость, однако, вместе с тем, понижает ковкость и пластичность. В связи с этим чугун является хрупким материалом. Также в определенные марки чугуна добавляют специальные присадки, которые способны придать соединению определенные свойства. В роли легирующих элементов могут выступать: никель, хром, ванадий, алюминий. Показатель плотности чугуна равен 7200 килограмм на метр кубический. Из чего можно сделать вывод, что вес чугуна - показатель, который никак нельзя назвать маленьким.

Историческая справка

Выплавка чугуна уже достаточно давно известна человеку. Первые упоминания о сплаве датируются шестым веком до нашей эры.

В Китае в древние времена получали чугун с довольно низкой температурой плавления. В Европе чугун стали получать примерно в 14 веке, когда впервые начали использовать доменные печи. На тот момент такое чугунное литье шло на производство оружия, снарядов, деталей для строительства.

На территории России производство чугуна активно началось в 16 столетии и далее быстро расширялось. Во времена Петра I Российская империя по объему производства чугуна смогла обойти все государства мира, однако уже через сто лет начала снова сдавать свои позиции на рынке черной металлургии.

Чугунное литье использовалось для создания разнообразных художественных произведений ещё в эпоху Средневековья. В частности, в 10 веке китайские мастера отлили поистине уникальную фигуру льва, вес которого превысил 100 тонн. Начиная с 15 века на территории Германии, а после и в других странах литье из чугуна получило широчайшее распространение. Из него делали оградки, решетки, парковые скульптуры, садовую мебель, надгробия.

В последние годы 18 века чугунное литье максимально задействовано в архитектуре России. А 19 столетие так и вообще прозвали «чугунным веком», так как сплав очень активно использовался в зодчестве.

Особенности

Существуют различные виды чугуна, однако средняя температура плавления этого металлического соединения составляет порядка 1200 градусов Цельсия. Этот показатель на 250-300 градусов меньше, чем требуется для выплавления стали. Такая разница связана с достаточно высоким содержанием углерода, что приводит к его менее тесным связям с атомами железа на молекулярном уровне.

В момент выплавки и последующей кристаллизации углерод, содержащийся в чугуне, не успевает полностью проникнуть в молекулярную решётку железа, и потому чугун в итоге получается довольно хрупким. В связи с этим он не применяется там, где имеют место постоянные динамические нагрузки. Но при этом он отлично подходит для тех деталей, которые имеют повышенные требования к прочности.

Технология производства

Абсолютно все виды чугуна производятся в доменной печи. Собственно, сам процесс плавки - довольно трудоемкая деятельность, требующая серьёзных материальных вложений. Одна тонна чугуна требует примерно 550 килограмм кокса и почти тонну воды. Объем загружаемой в печь руды будет зависеть от содержания железа. Чаще всего применяют руду, в которой железа не менее 70%. Меньшая концентрация элемента нежелательна, поскольку ее будет невыгодно экономически использовать.

Первый этап производства

Выплавка чугуна происходит следующим образом. В первую очередь в печь засыпают руду, а также коксующиеся которые служат для нагнетания и поддержания требуемой температуры внутри Помимо этого, эти продукты в процессе горения активно принимают участие в протекающих химических реакциях в роли восстановителей железа.

Параллельно в печь отгружается флюс, служащий в качестве катализатора. Он помогает породам быстрее расплавляться, что содействует скорейшему высвобождению железа.

Важно заметить, что руда перед загрузкой в печь подвергается специальной предварительной обработке. Ее измельчают на дробильной установке (мелкие частицы быстрее плавятся). После она промывается с целью удаления частиц, не содержащих металл. После чего сырье обжигают, за счет этого из него удаляется сера и прочие чужеродные элементы.

Второй этап производства

В загруженную и готовую к эксплуатации печь подают природный газ через специальные горелки. Кокс разогревает сырье. При этом выделяется углерод, который соединяется с кислородом и образует оксид. Этот оксид впоследствии принимает участие в восстановлении железа из руды. Отметим, что с увеличением количества газа в печи скорость протекания химической реакции снижается, а при достижении определённого соотношения и вовсе останавливается.

Избыток углерода проникает в расплав и входит в соединение с железом, формируя в конечном счете чугун. Все те элементы, которые не расплавились, оказываются на поверхности и в итоге удаляются. Эти отходы именуют шлаком. Его также можно использовать для производства других материалов. Виды чугуна, получаемые таким образом, называются литейным и передельным.

Дифференциация

Современная классификация чугунов предусматривает разделение данных сплавов на следующие типы:

  • Белые.
  • Половинчатые.
  • Серые с пластинчатым графитом.
  • Высокопрочные с шаровидным графитом.
  • Ковкие.

Давайте рассмотрим каждый вид по отдельности.

Белый чугун

Таким чугуном называется тот, у которого практически весь углерод химически связан. В машиностроении этот сплав применяется не очень часто, потому что он твёрдый, но очень хрупкий. Также он не поддается механической обработке различными режущими инструментами, а потому используется для отливания деталей, которые не требуют какой-либо обработки. Хотя этот вид чугуна допускает шлифование абразивными кругами. Белый чугун может быть как обыкновенным, так и легированным. При этом сварка его вызывает затруднения, поскольку сопровождается образованием различных трещин во время охлаждения или нагрева, а также по причине неоднородности структуры, формирующейся в точке сварки.

Белые износостойкие чугуны получают за счет первичной кристаллизации жидкого сплава при скоротечном охлаждении. Чаще всего они используются для работы в условиях сухого трения (например, тормозные колодки) или для производства деталей, обладающих повышенной износостойкостью и жаростойкостью станов).

Кстати, получил свое название благодаря тому, что внешний вид его излома - светло-кристаллическая, лучистая поверхность. Структура этого чугуна представляет собой совокупность ледебурита, перлита и вторичного цементита. Если же данный чугун подвергают легированию, то перлит трансформируется в троостит, аустенит или мартенсит.

Половинчатый чугун

Классификация чугунов будет неполной, если не упомянуть об этой разновидности металлического сплава.

Для указанного чугуна характерно сочетание карбидной эвтектики и графита в его структуре. В целом же, полноценная структура имеет следующий вид: графит, перлит, ледебурит. Если же чугун подвергнуть термической обработке или легированию, то это приведет к образованию аустенита, мартенсита или игольчатого троостита.

Этот вид чугуна достаточно хрупок, поэтому его применение весьма ограничено. Само же название сплав получил потому, что его излом - сочетание темных и светлых участков кристаллического строения.

Самый распространенный машиностроительный материал

Серый чугун ГОСТ 1412-85 содержит в своем составе около 3,5% углерода, от 1,9 до 2,5% кремния, до 0,8% марганца, до 0,3% фосфора и менее 0,12% серы.

Графит в таком чугуне имеет пластинчатую форму. При этом не требуется специального модифицирования.

Пластинки графита имеют сильно ослабляющее действие и потому серому чугуну характерны очень низкая ударная вязкость и практически полное отсутствие относительного удлинения (показатель составляет мене 0,5%).

Серый чугун хорошо подвергается обработке. Структура сплава может быть следующей:

  • Феррито-графитовой.
  • Феррито-перлито-графитовой.
  • Перлито-графитовой.

На сжатие серый чугун работает гораздо лучше, нежели на растяжение. Также он довольно хорошо сваривается, но для этого требуется предварительный подогрев, а в качестве присадочного материала следует использовать специальные чугунные стержни с высоким содержанием кремния и углерода. Без предварительного разогрева сварка будет затруднена, поскольку будет происходить отбеливание чугуна в зоне шва.

Из серого чугуна производят детали, работающие при отсутствии ударной нагрузки (шкивы, крышки, станины).

Обозначение данного чугуна происходит по такому принципу: СЧ 25-52. Две буквы сигнализируют о том, что это именно серый чугун, число 25 - показатель предела прочности при растяжении (в Мпа или кгс/мм 2), число 52 - предел прочности в момент изгиба.

Высокопрочный чугун

Чугун с шаровидным графитом принципиально отличается от других своих «собратьев» тем, что в нем содержится графит шаровидной формы. Она получается за счет введения в жидкий сплав специальных модификаторов (Mg, Се). Количество графитных включений и их линейные размеры могут быть различными.

Чем хорош шаровидный графит? Тем, что такая форма минимально ослабляет металлическую основу, которая, в свою очередь, может быть перлитной, ферритной или перлитно-ферритной.

Благодаря применению термической обработки или легирования основа чугуна может быть игольчато-трооститной, мартенситной, аустенитной.

Марки высокопрочного чугуна бывают различны, но в общем виде обозначение его таково: ВЧ 40-5. Легко догадаться, что ВЧ - это высокопрочный чугун, число 40 - показатель предела прочности при растяжении (кгс/мм 2), число 5 - относительно удлинение, выражаемое в процентах.

Ковкий чугун

Структура ковкого чугуна заключается в наличии в нем графита в хлопьевидной или шаровидной форме. При этом хлопьевидный графит может иметь различную дисперсность и компактность, что, в свою очередь, оказывает непосредственное влияние на механические свойства чугуна.

В промышленности ковкий чугун производится зачастую с ферритной основой, которая обеспечивает большую пластичность.

Внешний вид излома ферритного ковкого чугуна имеет черно-бархатистый вид. Чем выше количество перлита в структуре, тем светлее будет становиться излом.

В целом же, получается из отливок белого чугуна благодаря длительному томлению в печах, нагретых до температуры 800-950 градусов Цельсия.

На сегодняшний день есть два способа изготовления ковкого чугуна: европейский и американский.

Американский метод заключается в томлении сплава в песке при температуре 800-850 градусов. В этом процессе графит располагается между зернами чистейшего железа. В итоге чугун приобретает вязкость.

В европейском методе отливки томятся в железной руде. Температура при этом составляет около 850-950 градусов Цельсия. Углерод переходит в железную руду, за счет чего поверхностный слой отливок обезуглероживается и становится мягким. Чугун становится ковким, а сердцевина сохраняет хрупкость.

Маркировка ковкого чугуна: КЧ 40-6, где КЧ - это, разумеется ковкий чугун; 40 - показатель прочности при растяжении; 6 - относительное удлинение, %.

Прочие показатели

Что касается разделения чугунов по прочности, то здесь применяется следующая классификация:

  • Обычная прочность: σв до 20 кг/мм 2 .
  • Повышенная прочность: σв = 20 — 38 кг/мм 2 .
  • Высокая прочность: σв = 40 кг/мм 2 и выше.

По пластичности чугуны разделяются на:

  • Непластичные - относительное удлинение менее 1%.
  • Малопластичные - от 1% до 5%.
  • Пластичные - от 5% до 10%.
  • Повышенной пластичности - более 10%.

В заключение также хотелось бы обязательно отметить, что на свойства любого чугуна довольно существенное влияние оказывает даже форма и характер заливки.