Что представляет собой
Чугун – это сплав на основе железа. Относится к группе чёрных металлов.
Чёрные металлы – это железо, сплавы на его базе (стали, чугуны, ферросплавы), марганец. По некоторым классификациям в группу зачисляют хром.
По составу чугун – это конгломерат железа, углерода плюс другие металлы. Такие же базовые компоненты могла бы содержать формула стали.
Разница между этими сплавами – в количестве углерода. Если его меньше 2,14% – это сталь. Больше – чугун.
Другие компоненты – лигатуры и примеси (сера, кремний, фосфор, марганец).
Углерод в структуре чугуна представлен включениями графита либо цементита (карбида железа, формула – Fe3C).
Отличить чугун от стали можно визуально. Сталь светлее и блестит, чугуны темные матовые.
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.
История
Документированная история чугуна стартует с I тысячелетия до нашей эры:
- Выплавку освоили китайцы и их соседи.
- С V века до нашей эры начался период декоративного чугунного литья.
- Через 600 лет в Китае появились монеты.
Появление сплава в Европе датируют XIV веком, в России – на двести лет позже. Интерес возрос в связи с пригодностью чугуна как материала пушек и ядер.
Турнирный мост Эглинтон[en] (завершено около в 1845 году), Норт-Эршир, Шотландия, построен из чугуна
Со времен королевы Виктории самым популярным изделием «гражданского сегмента» у британцев стали камины.
Чугунный угольный утюг
Расцвет чугунного промысла в России приходится на XVIII век:
- Появились мосты, рельсы.
- На Урале изобретены чугунки – посуда номер один для русской печи. Позже их дополнили сковороды.
- К концу века Россия стала мировым лидером по производству чугуна.
Оригинальный мост через Тей с севера (закончен в 1878 году)
Мировую славу обрели ажурные изделия каслинских мастеров.
Способ формовки для литья художественных отливок сложных форм, придуманный каслинцами, востребован машиностроителями и сегодня.
Применение
1) Чугун незаменим в машиностроении. Большое количество деталей (поршни, шестерни, электродвигатели) производятся именно из него. 2) Ценен чугун и в металлургической отрасли. Он обладает отличными литейными качествами, а также не дорог в цене. 2) Продолжает чугун широко использоваться для создания канализационных труб и сантехники. Из него изготавливаются ванны, отличающиеся долговечностью, раковины и фитинги. Некоторые радиаторы, приобретённые годы назад, всё ещё продолжают служить своим владельцам. 3) Сплав идёт и на производство посуды. Сковородки из чугуна пользуются особой популярностью. 4) Печи из чугуна не только значительно дешевле аналогов, но и не подвержены деформации при нагреве. 5) Также из чугуна создаются декоративные элементы или художественные элементы: ажурные ограды, ворота и решётки.
В последнее время из-за высокой затратности производства чугуна, его использование значительно сократилось. Чтобы облегчить производство, вместо него стали использовать сплавы более лёгкие для изготовления. Эта тенденция продолжается уже несколько лет, и для многих сейчас чугун кажется пережитком прошлого. Но остались отрасли, в которых он пока не сдаёт позиции и по-прежнему крайне необходим. Поэтому полностью отказаться от использования чугуна не представляется возможным.
Технология получения
Чугун, отлитый в виде чушек
Исходник получения сырья для металлургов – железные руды (горные породы с доминированием железа в составе).
Руду отправляют на обогатительные комбинаты, где из сырья удаляют часть «порожняка».
Полученный материал везут на металлургический комбинат.
Здесь им загружают доменные печи:
- Добавляют топливо – кокс (продукт обработки каменного угля), известняк, брикетированную угольную пыль.
- Плавят при высоких температурах.
- В процессе восстановления из оксидов получают железо с внедренным в его структуру углеродом.
В результате плавки формируется чугун и шлак (смесь золы топлива, незадействованных флюсов, других продуктов).
При необходимости добавляются лигатуры. Они определяют физические и химические свойства материала.
Производство несложное, но экологически грязное.
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.
Достоинства и недостатки
На бытовом уровне главные преимущества чугунных сплавов: нетоксичность, биосовместимость, гигиеничность, термостойкость. Благодаря этому чугунки, другая посуда не разрушается кислотно-щелочными составами (например, при варке борща), легко моется, долго остается теплой.
Для промышленников на первом плане другие достоинства:
- Простой, экономичный способ получения.
- Прочность, сохранение потребительских характеристик продукции десятилетиями.
- Возможность изготовления широкого ассортимента.
Плюс доступные цены на всю продукцию – от чушек до сковородок или декоративной скамьи.
Чугунная сковорода
Недостатки материала:
- Хрупкость.
- Трудность сваривания.
- Беззащитность перед коррозией.
- Тяжеловесность изделий.
Часто для транспортировки, сборки, обслуживания продукции требуются особые условия.
При сварке, например, заранее прогревают детали, подбирают материал, режим. То есть используют газовые установки, покрытые либо угольные электроды, проволоку из порошка.
Классификация
Чугун классифицируют по нескольким основаниям:
- По габаритам и форме вкраплений графита. Слоистые, сфероидные, вермикулярные, хлопья.
- По виду углерода. Графитовые, цементитовые.
- По технологии выработки. Серые, белые, передельные.
- По наличию присадок. Рядовые и легированные. Легированные – это сплавы чугуна с металлами (молибден, никель, хром, титан, другие). Сплавы с такими металлами придают изделиям пластичность, стойкость к износу, разрушению, коррозии.
Микроструктура белого чугуна
Характеристики продукта закладываются на стадии производства.
Маркировка чугуна
В промышленности разновидности чугуна маркируются следующим образом:
- передельный чугун — П1, П2;
- передельный чугун для отливок (передельно-литейный) — ПЛ1, ПЛ2;
- передельный фосфористый чугун — ПФ1, ПФ2, ПФ3;
- передельный высококачественный чугун — ПВК1, ПВК2, ПВК3;
- чугун с пластинчатым графитом — СЧ (цифры после букв «СЧ», обозначают величину временного сопротивления разрыву в кгс/мм).
Антифрикционный чугун:
- антифрикционный серый — АЧС;
- антифрикционный высокопрочный — АЧВ;
- антифрикционный ковкий — АЧК;
- чугун с шаровидным графитом для отливок — ВЧ (цифры после букв «ВЧ» означают временное сопротивление разрыву в кгс/мм и относительное удлинение (%);
- чугун легированный со специальными свойствами — Ч.
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.
Где используется чугун
Чугун применяется в двух качествах: базовый компонент при выплавке стали либо материал промышленной продукции.
Чугунная печь — буржуйка
Главная сфера применения сплава – машиностроение.
Технология, номенклатура продукции определяются видом чугуна.
Чугунная лестница
Белый чугун
Углерод-цементит, формируется благодаря мгновенному охлаждению. Опознается по беловатому цвету излома, твердости, хрупкости. Сплав непригоден к механической обработке резанием. Идет на цельное износостойкое литье (прокатные валки, детали мельничных, дробильных механизмов) и как исходник ковких видов чугуна.
Микроструктура белого чугуна при 100-кратном увеличении
Серый
Основа структуры – слоистый графит, придающий сероватость. Поддается механической обработке, однако прочность, пластичность невысоки.
Достоинства: хорошие антифрикционные, демпфирующие свойства, мини-чувствительность к аккумуляторам напряжения, текучесть, минимум дефектов при усадке.
Используется как материал отливок сложной конфигурации с толщиной стенок до 5 см.
Из него делают прокатные станы, маховики, колонны, станины, канализационно-водопроводный ассортимент (люки, трубы, фурнитура).
Чугунная крышка канализационного люка
Ковкий
Результат термообработки белого чугуна с хлопьевидным графитом. Такая структура обеспечивает прочность, пластичность, хорошую обрабатываемость отливок, отсутствие внутреннего напряжения.
Благодаря этому сплав нашел применение как материал деталей и элементов, функционирующих в условиях ударов и вибрации: постамент под массивное оборудование, опоры автострад, железнодорожных мостов, коленвалы дизельных двигателей.
Мост через Северн — первый в мире чугунный мост
Специальные
Сплавы с дополнительными характеристиками, полученными легированием, отжигом и охлаждением по специальной технологии.
Подразделяются на:
- ферросплавы;
- коррозие-, износо-, жаростойкие;
- антифрикционные;
- с электромагнитными свойствами;
- декоративные.
Состав сплавов, технология регламентируются стандартами.
Высокопрочные марки становятся механизмом турбин, коленвалов, тракторных, автомобильных двигателей, шестерней, прокатных валков.
Антифрикционные марки идут на подшипники, втулки топливных насосов, клапаны, кольца поршней автомобилей.
Из декоративных выковывают ограды, колонны, фонтаны, мелкую пластику.
Чугунный забор
Передельный
Полуфабрикат, исходник для передела в сталь либо создания отливок. Процент фосфорного, кремниевого, серного, марганцевого компонента в сплаве регламентируется отраслевым стандартом.
В зависимости от назначения и процента кремния различают передельный чугун для сталеплавильного, литейного производства, фосфористый, высокопрочный.
Последний вид сплава содержит в составе шарики графита и магний. Идет на изготовление деталей, работающих при экстремальных нагрузках (механических и термических), в агрессивных средах.
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.
