Состав чугуна в процентах

1. Особенности нелегированных чугунов

Характеристики серого чугуна

Получение серого чугуна осуществляется в домне. Исходным материалом является руда. Формирования структуры серого сплава осуществляется только в условиях низких скоростей охлаждения. По своей форме углерод, который состоит в чугуне, напоминает пластинчатый графит. Именно поэтому излом характеризуется серым цветом.

Особенности маркировки

Для маркировки серого чугуна используются буквы СЧ и цифры. Последние из них указывают на то, какой предел прочности имеет материал в период растяжения. Данный материал характеризуется универсальными литейными свойствами – малой усадкой и высокой жидкотекучестью.

Для материала характерно наличие высокой способности к рассеиванию вибрационных колебаний в условиях переменных нагрузок. Металл характеризуется высокой циклической вязкостью. Именно поэтому из данного материала изготавливают прокатные станки, станины станков. Также из серого сплава производится изготовление маховиков, шкивов, корпусов, поршневых колец и т.д.

Характеристики высокопрочного чугуна

Высокопрочный чугун характеризуется наличием графитовых включений шаровидной формы. Получение этих включений обеспечивается благодаря модифицированию магнием серого чугуна. Благодаря шаровидной форме графита, создание резкой концентрации напряжений не происходит. Именно поэтому данный материал характеризуется высоким уровнем прочности в период растяжения и изгиба.

Высокопрочный чугун характеризуется наличием маркировки ВЧ и цифрами, которые указывают на прочность данного материала. Данный металл характеризуется высокой жидкотекучестью, а также небольшой усадкой.

Если сравнивать свойства чугуна и стали, то они очень похожи между собой. Поэтому из данного материала осуществляется производство деталей турбин, коленчатых валов двигателей для таких транспортных средств, как тракторы и автомобили, звездочек, изложниц, шестерней.

Высокопрочный чугун модифицируется следующим способом: расплав сплава смешивается со специальными добавками – модификаторами, которые берутся в небольшом количестве. Это приводит к тому, что пластины графита измельчаются, и получается графит, необходимой формы. Модифицирование приводит к улучшению механических свойств сплава: возрастание вязкости, прочности и пластичности.

Характеристики чугуна, в состав которого входит вермикулярный графит

В состав данных чугунов входит графит, который имеет вермикулярную форму, а также шаровидный графит (не более сорока процентов). Для того чтобы получить чугун, в состав которого входит вермикулярный графит, его модифицируют, используя церий и магний.

Чугун имеет маркировку буквами ЧВГ, а также цифрами, которые указывают на прочность данного материала. ЧВГ характеризуется малой усадкой, также для него присуща хорошая жидкотекучесть.

Чугун, в состав которого входит вермикулярный графит, если делать оценку его механических свойств, находится между такими материалами, как высокопрочный и серый чугун. Данный материал обладает хорошей теплопроводностью, что позволяет использовать их в средах, которые характеризуются резким перепадом температуры. ЧВГ широко применяется при производстве деталей, работающих при резких перепадах температуры.

Характеристики белого чугуна

Белый чугун является универсальным материалом, производство которого осуществляется в доменной печи с применением руд. Для формирования структуры данного материала необходимо обеспечить высокую скорость охлаждения. Белый чугун характеризуется наличием в своем составе углерода, который образует цементит (Fe3C) с высоким уровнем твердости. Белый чугун невозможно подвергнуть механической обработке. Однако из него можно получить ковкий чугун или подвергнуть его легированию и значительно увеличить его износостойкость.

Характеристики ковкого чугуна

Несмотря на название, ковкий чугун не поддается ковке. Данный материал характеризуется более высоким уровнем пластичности, чем белый чугун. Ковкий чугун характеризуется хлопьевидной формой графитовых включений. Исходным материалом для производства является белый чугун. Чтобы получить ковкий чугун, необходимо нагреть белый до 1000 градусов Цельсия и выдержать 17 – 80 часов при данной температуре, после чего осуществляется медленное охлаждение до нормальных температур. Благодаря изолированной хлопьевидной форме графита обеспечивается высокий уровень прочности и пластичности данного материала.

Для маркировки ковкого чугуна используются буквы КЧ и цифры, которые обозначают прочность материала на растяжение. КЧ обладает максимально низкой жидкотекучестью и большой усадкой.

Если делать оценку механических свойств КЧ, то он занимает промежуточную позицию между сталью и серым чугуном. Ковкий чугун широко применяется для производства литых деталей, работа которых осуществляется в условиях небольших ударных нагрузок – рычагов, педалей. Также данный материал широко применяется при изготовлении трубопроводной арматуры.

2. Особенности легированных чугунов

Легированный чугун получается путём введения в состав обычного чугуна легированных компонентов, таких как кремний, хром, алюминий и другие. С помощью легирования чугун получает особые свойства. Легированные чугуны по своим особенностям могут быть:

• Износостойкими;
• Жаростойкими;
• Антифрикционными;
• Жаропрочными.

Маркировка легированных чугунов осуществляется в соответствии с типом стали: Ч является жаропрочным чугуном, ИЧ – износостойким чугуном, АЧ – антифрикционным чугуном, ЖЧ – жаростойким чугуном. После этого могут идти буквы, которые указывают на легирующие элементы. После букв идут цифры, которые рассказывают о примерном содержании легирующих элементов в процентном соотношении. При отсутствии цифры можно судить о наличии примерно одного процента легирующего элемента.

Характеристики износостойкого чугуна

Износостойкость – такое свойство материала, которое позволяет сопротивляться изнашиванию при трении. Для того чтобы обеспечить чугун этим свойством, в белый чугун добавляют хром, никель, титан, вольфрам и молибден.

Для маркировки износостойкого сплава применяют буквы ИЧ и цифры, указывающие на процентное количество легирующих элементов в них.

Износостойкий чугун характеризуется высоким уровнем стойкости к абразивному износу, что позволяет применять его для производства дисков сцепления, тормозов, деталей для насосов, которыми осуществляется перекачивание абразивных сред, деталей для пескометов.

Характеристики жаростойких чугунов

Жаростойкостью называют характеристику, при которой материал способен сопротивляться окислению в газовой среде при высоких температурах.

Обеспечение жаростойкости осуществляется в результате того, что легируется серый или белый чугун с использованием таких материалов, как кремний, хром, алюминий. На поверхности материала имеются плотные защитные окисные пленки, с помощью которых осуществляется предохранение сплава от окисления в условиях высоких температур.

Маркировка жаростойкого чугуна осуществляется с применением букв ЖЧ. После этого идут цифры, которыми осуществляется обозначение легирующих элементов.

С помощью ЖЧ изготавливаются детали, которые работают в щелочной, газовой, воздушной среде, и способны выдержать температуру до 1100 градусов Цельсия. Их применяют при производстве конструкций для таких печей, как термические, доменные и мартеновские.

Характеристики жаропрочного чугуна

Жаропрочностью называют способность металла к сохранению своих свойств в условиях высоких температур.
Жаропрочность осуществляется, если легируется серый или белый чугун с применением таких материалов, как хром, никель, молибден или медь. Все жаропрочные материалы одновременно являются и жаростойким, однако не все жаростойкие материалы являются жаропрочными. Маркирование жаропрочного сплава осуществляется буквой Ч.

Данный материал широко применяется для производства газовых печей. С его помощью изготавливают детали, установка которых осуществляется в дизельные двигатели компрессорного оборудования. Также детали из этого материала устанавливаются в саунах и банях. Жаропрочным чугуном является материал, который имеет шаровидный графит.

Характеристики антифрикционных чугунов

Антифрикционностью называют возможность материала работать в условиях трения. Антифрикционный чугун может быть серым, высокопрочным или ковким чугуном, который характеризуется перлитной или перлитно-ферритной структурой (перлита

Чугун литейный
Л1	Л2	Л3	Л4	Л5
Л6	ЛР1	ЛР2	ЛР3	ЛР4
ЛР5	ЛР6	ЛР7

Чугун передельный
П1	П2	ПВК1	ПВК2	ПВК3
ПЛ1	ПЛ2	ПФ1	ПФ2	ПФ3

Чугун низколегированный
ЧН2Х	ЧН3ХМДШ	ЧНМШ	ЧНХМД	ЧНХМДШ
ЧНХТ	ЧС5	ЧС5Ш	ЧХ1	ЧХ2
ЧХ3	ЧХ3Т	ЧЮХШ

Чугун высоколегированный
ЧГ6С3Ш	ЧГ7Х4	ЧГ8Д3	ЧН11Г7Ш	ЧН15Д3Ш
ЧН15Д7	ЧН19Х3Ш	ЧН20Д2Ш	ЧН4Х2	ЧС13
ЧС15	ЧС15М4	ЧС17	ЧС17М3	ЧХ16
ЧХ16М2	ЧХ22	ЧХ22С	ЧХ28	ЧХ28Д2
ЧХ28П	ЧХ32	ЧХ9Н5	ЧЮ22Ш	ЧЮ30
ЧЮ6С5	ЧЮ7Х2

Чугун с вермикулярным графитом для отливок
ЧВГ30	ЧВГ35	ЧВГ40	ЧВГ45

Чугуном называют железоуглеродистые сплавы (содержащие также то или иное количество примесей и легирующих элементов), затвердевающие с образованием эвтектики. Следовательно, в отличие от стали, чугун не может приобрести однофазное строение (например, аустенитное) при термической обработке. Согласно диаграмме состояния сплавов Fe—С (рис. 1), область чугуна охватывает сплавы, содержащие свыше 2,11% С. Практически же в качестве указанного граничного содержания углерода принято считать 2% С. С повышением содержания легирующих элементов эта граница, как правило, смещается в сторону меньших концентраций углерода. Так, многие высокохромистые, высококремнистые (например, ферросилиды), высокоалюминиевые сплавы железа содержат значительное количество эвтектики и условно считаются чугуном, несмотря на весьма низкое содержание углерода.

Присутствие эвтектики в структуре чугуна обусловливает его использование исключительно в качестве литейного сплава (работы по прокатке чугуна, особенно высокопрочного с шаровидным графитом, дали некоторые положительные результаты, но промышленного применения не нашли; перспективной является прокатка низкоуглеродистого низкокремнистого белого чугуна).

Чугун менее прочен и более хрупок, чем сталь, но дешевле стали и хорошо отливается в формы. Поэтому чугун широко используют для изготовления литых деталей. Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита (Fe₃C) или графита. Цементит имеет светлый цвет, обладает большой твердостью и трудно поддается механической обработке. Графит, наоборот, темного цвета и достаточно мягок. В зависимости от того, какая форма углерода преобладает в структуре, различают два основных вида чугуна: белый и серый.

По степени эвтектичности чугун подразделяют на доэвтектический, эвтектический и заэвтектический (см. рис. 1). Неправомерно принято отождествлять степень эвтектичности чугуна со степенью «насыщенности». Последняя относится как к чугуну, так и к стали и отражает лишь отношение содержания углерода в сплаве к эвтектическому или, с учетом влияния кремния и фосфора на смещение эвтектической точки влево.

Чугун считается эвтектическим, когда углеродный эквивалент равен 4,2—4,3%.

По содержанию дополнительных компонентов чугун подразделяют на нелегированный, низколегированный, средне- и высоколегированный. Нелегированным считают чугун, содержащий до 3,5—4% Si, до 1,5—2% Мп, до 0,3% Р, до 0,2— 0,25% S и до 0,1% таких элементов, как Cr, Ni, Си. В низколегированном чугуне содержание каждого из перечисленных легирующих элементов обычно не превышает 1,0—1,5%, в среднелегированном оно может достигать 7%, а в высоколегированном превышает 7—10%. Добавки сотых и даже тысячных долей процента таких элементов, как магний, азот, бор, висмут, считаются легирующими (микролегирование, модифицирование).

По степени графитизации чугун подразделяют на белый (практически не графитизированный), отбеленный или половинчатый (частично графити-зированный) и серый (в значительной степени или полностью графитизированный). Ковким называют чугун, полученный из белого путем его графитизации в твердом состоянии при термической обработке.

Белый чугун представляет собой сплав, в котором весь или практически весь избыточный углерод, не находящийся в твердом растворе в железе, присутствует в виде цементита Fe₃C (или специальных карбидов в легированном чугуне). В нелегированном чугуне цементит представляет собой метастабильную фазу, способную распадаться с образованием железа и графита. На рисунке выше линии метастабильных равновесий (цементитная система) PSK, ES, ECF и CD показаны сплошными, а линии стабильных равновесий (графитная система) P`S`К`, E`S`, E`C`F` и C`D` —- пунктирными (в физической химии металлов принят обратный порядок обозначения).

В неполностью графитизированном сером чугуне эвтектоидное превращение протекает не в стабильной (графитной), а в метастабильной (цементитной системе) и аустенит превращается не в феррито-графитный эвтектоид, а в феррито-цементит-ную смесь — перлит. При этом наличие перлитного цементита и даже небольшого количества вторичного цементита (выпадающего из аустенита при его охлаждении в соответствии с линией метастабильного равновесия ES на рисунке выше) не является признаком отбела серого чугуна.

В производственной практике чаще всего наблюдаются случаи, когда эвтек-тоидное превращение протекает частично в стабильной и частично в метастабильной системах. Получающийся перлито-ферритный чугун обладает свойствами, приближающимися к свойствам перлитного или ферритного серого чугуна в зависимости от процентного содержания феррита и перлита в структуре металлической основы.

При отжиге белого чугуна на ковкий графит выделяется в виде более компактных включений, в результате чего металл приобретает определенные пластические свойства (откуда и название этого вида чугуна). Как и серый чугун, ковкий чугун может быть полностью и неполностью графитизированным и подразделяется соответственно на ферритный, феррито-перлитный и перлитный. Ледебуритного или вторичного цементита в ковком чугуне не должно быть (за исключением отдельных изолированных, так называемых «остаточных» карбидов). Половинчатый ковкий чугун промышленного применения не нашел.

В конце сороковых годов был изобретен метод модифицирования чугуна магнием, церием (а в настоящее время также иттрием и рядом других элементов), при котором графитные включения приобретают шаровидную или близкую к ней форму. Такой сплав фактически является разновидностью серого чугуна, однако ввиду приобретения им ряда специфических свойств (сочетания высокой прочности и пластичности, повышенной ударной вязкости) его классифицируют отдельно под названием «высокопрочный» чугун (ВЧ) или чугун с шаровидным графитом (ЧШГ). В зависимости от использованного модификатора его также называют магниевым, либо цериевым чугуном. В зарубежной литературе его часто называют «пластичным» чугуном (ductile iron). Высокопрочный чугун так же подразделяется на перлитный, перлито-ферритный и ферритный. В промышленности используют также отбеленный чугун с шаровидным графитом.

Часто модифицирование магнием или церием приводит к практически полному отбелу чугуна. После графитизирующего отжига в металле образуются шаровидные включения графита. Такой материал фактически представляет собой разновидность ковкого чугуна. Однако ввиду ряда специфических особенностей (кратковременности отжига, обусловленной высоким содержанием кремния в металле и отсутствием инкубационного периода) его классифицируют в одной группе с высокопрочным чугуном.

Таким образом, значительно графитизированный чугун условно подразделяют на серый (СЧ), ковкий (КЧ) и высокопрочный (ВЧ), хотя в ряде случаев провести между ними границу очень трудно.

Серый, ковкий и высокопрочный чугун классифицируют по механическим свойствам. Согласно общей классификации принято следующее деление:

По специальным свойствам чугун подразделяют на износостойкий, антифрикционный, коррозионностойкий, жаростойкий, немагнитный.

По твердости чугун подразделяют на:

Мягкий чугун HB269

По прочности чугун подразделяют на:

Обыкновенной прочности 2

Повышенной прочности = 20-38 кГ/мм 2

Высокой прочности > 38кГ/мм 2

В белом чугуне почти весь углерод содержится в связанном состоянии в форме цементита. Такой чугун имеет в изломе светло-серый цвет, очень тверд, почти не поддается механической обработке и поэтому не применяется для изготовления деталей, а используется для переделки в сталь и для изготовления деталей из ковкого чугуна. Такой чугун называется также передельным.

Серый чугун в изломе темно-серого цвета, мягок, хорошо обрабатывается инструментами и поэтому широко применяется в машиностроении. Температура плавления серого чугуна 1100— 1250° С. Чем больше в чугуне углерода, тем ниже температура плавления. Основное количество углерода в сером чугуне содержится в виде графита, равномерно распределенного среди зерен основного сплава.

В сером чугуне, по сравнению с белым, содержится больше кремния и меньше марганца, так как кремний способствует графитизации углерода в чугуне, а марганец, наоборот, вызывает образование связанного углерода — цементита.

Примерный состав серого чугуна: 3—3,6% углерода; 1,6—2,5% кремния; 0,5—1% марганца; 0,05—0,12% серы; 0,1—0,8% фосфора. Сера является вредной примесью в чугуне, затрудняет его сварку и понижает прочность; она повышает вязкость чугуна в расплавленном состоянии и увеличивает его литейную усадку.

Фосфор делает чугун более жидкоплавким и улучшает его свариваемость, но одновременно повышает хрупкость и твердость. Поэтому содержание серы и фосфора в чугуне не должно превышать указанных пределов.

По ГОСТ 1412—54 марка серого чугуна обозначается буквами СЧ и двумя числами, из которых первое обозначает среднюю величину временного сопротивления в кгс/мм 2 , а второе — то же, при изгибе. Выпускается, например, серый чугун марок СЧ12-28, СЧ15-32, СЧ18-36 и т. д. Наиболее прочным является чугун марки СЧ38-60. Твердость по Бринеллю для серого чугуна СЧ12-28 составляет от 143 до 229, чугуна СЧ38-60 —от 207 до 262.

Ковкий чугун по механическим свойствам занимает промежуточное положение между чугуном и сталью, отличается от серого чугуна большей вязкостью и меньшей хрупкостью. Для получения деталей из ковкого чугуна их отливают из белого чугуна, а затем подвергают термообработке, например длительному отжигу или «томлению» в песке при 800—850° С. При этом выделяется свободный углерод в форме мелких округленных частиц, располагающихся в виде обособленных скоплений (хлопьев) между кристаллами железа. При температуре выше 900—950° С углерод переходит в цементит и деталь теряет свойства ковкого чугуна. Поэтому детали после сварки приходится вновь подвергать полному циклу термообработки для получения в шве и околошовной зоне структуры ковкого чугуна.

Ковкий чугун по ГОСТ 1215—59 обозначается буквами КЧ и двумя числами: первое указывает временное сопротивление в кгс/мм 2 , а второе — относительное удлинение в процентах, например КЧ35-4.

Легированный чугун обладает особыми свойствами — кислотоупорностью, высокой прочностью при ударных нагрузках и др. Эти свойства чугун получает в результате легирования хромом, никелем.

Модифицированный чугун получают из серого чугуна, вводя в жидкий чугун специальные добавки, называемые модификаторами — силикокальций, ферросилиций, силикоалюминий и др. Количество вводимых модификаторов не превышает 0,1 — 0,5%, при этом температура жидкого чугуна должна быть не ниже 1400° С.

При модификации состав чугуна почти не изменяется, но зерна графита принимают мелкопластинчатый, слегка завихренный вид, и располагаются изолированно друг от друга. От этого структура чугуна становится однородной, плотной, повышаются его прочность, износо- и коррозиоустойчивость.

По ГОСТ 1412—54 модифицированный чугун обозначается так же, как и серый, но с добавлением буквы М, например: МСЧ2848.

Высокопрочный и сверхпрочный чугуны имеют, графит шаровой формы. Это достигается введением в жидкий чугун при 1400° С чистого магния или его сплавов с медью и ферросилицием, с последующей модификацией силикокальцием или ферросилицием. Сверхпрочный чугун имеет временное сопротивление при растяжении 50—65 кгс/мм 2 (при изгибе 80—120 кгс/мм 2 ) и относительное удлинение 1,5—3%.

Механические и технологические свойства: чугун является своеобразным композитным материалом, механические и эксплуатационные свойства которого зависят от характеристик металлической основы (прочность, пластичность, твердость и др.), а также формы, размеров, количества и распределения графитовых включений. При этом решающее значение в ряде случаев имеет либо графит, либо металлическая основа. Например, модуль упругости чугуна в решающей степени зависит от формы и величины графитовых включений, а твердость в основном определяется свойствами металлической основы. Такие свойства, как временное сопротивление разрыву, ударная вязкость, длительная прочность, зависят как от свойств металлической основы, так и от формы или размеров и количества графитовых включений.

Получение той или иной структуры чугуна в отливках зависит от многих факторов: химического состава чугуна, вида шихтовых материалов, технологии плавки и внепечной обработки металла, скорости кристаллизации и охлаждения расплава в форме, а следовательно, толщины стенки отливки, теплофизических свойств материала формы и др. Структуру металлической основы чугуна можно изменять также термической обработкой отливок, общие закономерности влияния которой аналогичны возникающим при термической обработке углеродистой стали, а особенности связаны с сопутствующими изменениями металлической основы процессами графитизации.

Среди элементов химического состава С и Si определяют формирование структуры чугуна, а при заданной технологии литья приведенный размер стенки отливки R_np характеризует скорость ее охлаждения — отношение площади сечения стенки к периметру).

Наряду с Si большое значение как графитизирующий элемент имеет Аl, который иногда частично или полностью заменяет Si. Это улучшает свойства чугуна, особенно пластичность. Наиболее благоприятное сочетание характеристик прочности, вязкости и пластичности достигается в алюминиевых чугунах при содержании в них Si ε

– относительная осадка при появлении первой трещины, % σ_0,05 – предел упругости, МПа J_к – предел прочности при кручении, максимальное касательное напряжение, МПа σ_0,2 – предел текучести условный, МПа σ_изг – предел прочности при изгибе, МПа δ₅,δ₄,δ₁₀ – относительное удлинение после разрыва, % σ_-1 – предел выносливости при испытании на изгиб с симметричным циклом нагружения, МПа σ_сж0,05 и σ_сж – предел текучести при сжатии, МПа J_-1 – предел выносливости при испытание на кручение с симметричным циклом нагружения, МПа ν – относительный сдвиг, % n – количество циклов нагружения s _в – предел кратковременной прочности, МПа R и ρ – удельное электросопротивление, Ом·м ψ – относительное сужение, % E – модуль упругости нормальный, ГПа KCU и KCV – ударная вязкость, определенная на образце с концентраторами соответственно вида U и V, Дж/см 2 T – температура, при которой получены свойства, Град s _T – предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации), МПа l и λ – коэффициент теплопроводности (теплоемкость материала), Вт/(м·°С) HB – твердость по Бринеллю C – удельная теплоемкость материала (диапазон 20 o – T ), [Дж/(кг·град)] HV – твердость по Виккерсу p_n и r – плотность кг/м 3 HRC_э – твердость по Роквеллу, шкала С а – коэффициент температурного (линейного) расширения (диапазон 20 o – T ), 1/°С HRB – твердость по Роквеллу, шкала В σ t _Т – предел длительной прочности, МПа HSD – твердость по Шору G – модуль упругости при сдвиге кручением, ГПа

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

В век бурного развития металлургической промышленности и производства чугун играет ключевую роль. Давайте разберемся, что это за материал, как он появился, как производится, какими свойствами обладает, какие виды классификации чугуна существуют, и каким образом он применяется в различных областях промышленности.

Определение

Чугуном называется смесь 2,14 % углерода с железом, полученная при термическом нагревании в доменных печах до 1200 градусов Цельсия. С помощью шестого элемента таблицы Менделеева железо в форме сплава приобретает увеличенную твердость, теряя пластичность и ковкость, делая данный материал хрупким.

Помимо углерода, для получения особых параметров, в металлическую матрицу, добавляются такие элементы, как Si, Mg, P, S. Также широко применяются легирующие агенты – Cr, V, Ni, Al.

История

Технология изготовления чугуна пришла к нам из Китая, где «ходили» чугунные деньги еще в 10 веке нашей эры. Потомки монголов уже в 13 веке готовили котлы из этого сплава. На полях сражений в Столетней войне впервые применялись артиллерийские орудия и боеприпасы, отлитые из данного твердого раствора. В России его широкое применение в изготовлении оружия было налажено в 16 веке после появления доменной печи. В связи с этим, в 1701 году был построен Уральский чугунолитейный завод, который стал началом народного промысла, получившего название «Каслинское литье».

Начиная с 18 века Великобритания занимает пальму первенства по производству чугуна в мире. Благодаря новой технологии Уилкинсона, к середине 19 века в этой стране производилось половина всего мирового объема.

Технология изготовления не стояла на месте, что позволило Соединенным Штатам в конце 19 века вырваться вперед.

В то время из этого сплава начали изготавливать рельсы, водопроводные и канализационные трубы, камины, и такие сложные инженерно-строительные сооружения, как мосты.

Процесс производства чугуна

Получение чугуна проводят в доменных печах. Этот процесс является достаточно энергоёмким и затратным производством. В качестве сырья используют 4 основных группы руд:

• Гематитовый железняк, состоящий из ангидридного оксида железа, держит 70% (Fe) и 30% (O);
• Магнетитовый железняк, содержит 72,4% (Fe), и 27,6% (O);
• Бурый железняк, содержит 59,8% элементарного железа;
• Сидеритовый железняк, содержит 48,3% (Fe).

Технологический процесс проходит в несколько этапов

Сначала, в процессе подготовки, измельчают железную руду с содержанием оксидов железа (FeO и Fe2O3) не менее 40% от общей массы. Затем путем дробления, грохочения, усреднения, промывки, обогащения и обжига, избавляются от неметаллических примесей – S, P, As, и поднимают массовую долю основного металла в руде.

По окончанию, подготовительного этапа, загружают все компоненты в печь.

Доменная печь представляет собой непрерывно действующее металлургическое оборудование в виде шахты, массой 30 тысяч тонн. Доменная печь состоит из 5 элементов: верхней части в форме цилиндра – колошника, широкой конической части – шахты, широкой части – распары, зауженной части – заплечиков и нижней части – горна. Загрузка всех компонентов производится сверху через колошник, а готовый продукт и шлак раздельно выходят снизу из горна.

Одновременно с рудой в домну помещают коксующиеся угли, выполняющие функцию топлива. В процессе термического разложения углей образуются соединения углерода, участвующие в качестве восстановительного агента. Для ускорения процесса высвобождения металла из руды добавляется флюсы. Обычно это горные породы, содержащий оксиды кальция и магния.

После окончания этапа загрузки начинается процесс выплавки, когда загруженные компоненты превращаются в сплав, шлак и газ. Физико-химические реакции, протекающие при этом можно охарактеризовать как восстановительно-окислительные, так как происходит восстановление окислов железа и окисление восстановительного агента.

Процессы протекающие в печи

Процессы, протекающие в доменной печи можно описать следующими химическими уравнениями:

При нагревании кокса происходит выделение элементарного углерода, который с кислородом образует углекислый газ.

С + О2 = СО2 + выделение энергии

CO2 при нагревании дальше окисляется до оксида углерода, и восстанавливает элементарное железо из его оксидов в руде.

Fe2O3 + 3 CO = 2Fe + 3 CO2

После реакции восстановления, металл насыщается углеродом, а при достижении 1150-1200°С стекает уже в форме металлического компаунда в горн. Из остатков пустой руды и флюсов образуют отход — шлак, который непрерывно удаляется.

Параметры чугуна

Плотность — 7,2 г/см3. Температура плавления составляет 1200 °С. Хрупкость и малая пластичность сплава обусловлена следующими факторами:

1. Увеличение длины связи, между атомами Fe, из-за повышенного содержания углерода;
2. Неполное внедрение атомов углерода в структуру матрицы железа в связи с низкой, по сравнению со сталью, температурой плавления.

Именно по этим причинам, данный твердый металлический раствор нашел широкое применение в производстве деталей, обладающих высокой прочностью. Однако, он не подходит для продукции, подвергающейся нагрузкам, значения которых быстро изменяются во времени.

Классификация чугунов

Существуют несколько видов классификации чугунов.

1. По содержанию элементарного углерода делятся на:
2. доэвтектический (2,14-4,3 %);
3. эвтектический (4,3%);
4. заэвтектический (4,3-6,67%).
5. По видам углерода, и цвету излома:
6. Белый (С > 3%, в форме карбида). Его применение ограничено производством изделий, не подвергающихся большим нагрузкам, из-за значительной хрупкости. Но при добавлении легирующих присадок, содержащих хром, никель, ванадий, алюминий повышаются его эксплуатационные параметры;
7. Серый (С -2,5%, в форме перлита) обладает хорошей износостойкостью и понижает силу трения. Применяется при изготовлении деталей промышленного оборудования, подвергающихся циклическим нагрузкам. При добавлении специальных присадок, имеющих в составе Mo, Ni, Cr, B, Cb, Sb улучшается стойкость при использовании в агрессивных средах;
8. Половинчатый (С – 3,5-4,2%, в форме графита и карбида и наличие следовых количеств цементита и ледебурита). Такой вид нашел свое применение при производстве изделий, подвергающихся постоянному трению.
9. По физическим параметрам, согласно ГОСТ 1412-54 и 1215-59, различают марки чугуна:
10. Ковкий (КЧ), представляет собой его белую разновидность после специального обжига. При этом доля углерода находится на уровне 3,5%, и он представлен в форме Fe2O3 или зернистого перлита, с графитовыми включениями. В качестве присадок для повышения устойчивости к трению обычно добавляют Mg, Te, B. Следует отметить, данная марка никогда не подвергается ковке, в прямом смысле этого слова;
11. Высокопрочный (ВЧ), образуется путем вкрапления в металлическую решетку шарообразных включений углерода и введении в состав магния, кальция, селена, иттрия. Характеризуется улучшенными механическими, теплопроводными пластическими параметрами.
12. По специфическим свойствам:
13. Износостойкий;
14. Антифрикционный;
15. Коррозионностойкий;
16. Жаростойкий;
17. Немагнитный.
18. По шкале твердости Бринелля:
19. Мягкий (НВ менее 149);
20. Умеренной твердости (НВ 149-197);
21. Улучшенной твердости (НВ 197-269);
22. Твердый (НВ более 269).
23. По значению временного сопротивления при растяжении:
24. Обыкновенной прочности (менее 20 кгс/мм2);
25. Улучшенной прочности (20-38 кгс/мм2);
26. Максимальной прочности (более 38 кгс/мм2).
27. По магнитным характеристикам:
28. Ферромагнитный — обладающий магнитными свойствами, из-за высокого содержания в металлической матрице феррита и цементита;
29. Паромагнитный – обладающий малой магнитной проницаемостью, содержащий в своем составе присадки из хрома, меди и алюминия.

Маркировка

По Гостам, все существующие марки обозначаются 2 буквами и 2 числами, при этом числа отражают значения временного сопротивления (кгс/мм2) и относительного удлинения (%). К примеру, цифры в марке КЧ-30-6, показывают временное сопротивление — 30 кгс/мм2 и относительное удлинение — 6 %.

Путем введения в состав специальных добавок, модифицируют состав сплава. Тогда к названию марки прибавляется буква М.

Области использования

Применение различных марок чугуна зависит от металлургического компаунда и его эксплуатационных характеристик.

Белый вид используется в производстве нагревательных элементов и бытовой сантехники (ванн, раковин), а также является сырьем для получения ковких разновидностей твердых растворов.

Серый — входит в состав различных элементов двигателей для машиностроительной отрасли.

Ковкий – при изготовлении тормозных колодок и деталей для промышленного измельчительного оборудования. Кроме того, он имеет широкое применение в текстильной промышленности при отливке запасных частей сложной формы для оборудования. Применяется КЧ при изготовлении кухонной посуды, элементов интерьера, уличных фонарей, перил для лестниц.

Высокопрочный сорт применяется при производстве труб, фитингов для водоснабжения, канализации, нефтедобывающего производства. Кроме того, из него делают секционные радиаторы, эксплуатируемые в системах центрального отопления жилых домов и административных зданий.

Из ферромагнитного типа изготавливают электрощиты и другие составляющие электротехнического оборудования, а немагнитный его тип наоборот используется в качестве электроизолирующего материала.

В огромном количестве чугун используется как сырье на сталелитейных предприятиях.

Интересные факты

По мнению профессора Мариенбаха, свое название чугун получил от китайского слова – «чжугун», что в переводе означает «литейщик».

Чугунная посуда издавна используется по всему миру и очень удобна для приготовления различных видов пищи.

Неотъемлемым атрибутом русских народных сказок является печь, в которой в чугунке – сосуде определенной формы и отлитой из данного сплава, герои варили главное блюдо – картошку в мундире.

Самые лучшие блины получаются на чугунной сковородке.

До появления электрических утюгов, хозяйки использовали тяжелые чугунные утюги, с идеально гладкой подошвой нагревая её до красна, над источником огня.

Следующим этапом, были угольные чугунные утюги по своей конструкции напоминающие маленькие печки. Для их разогрева внутрь помещали березовый уголь. Такой утюг даже имел трубу для получения необходимой тяги.

Известные нам с детства канализационные люки для смотровых колодцев имели круглую форму, отливались из чугуна и были впервые изготовлены сто пятьдесят лет назад.

Производство чугуна во всем мире в 2015 году составило более 898 млн. тонн, что на 3% меньше чем в 2008 году.

Заключение

Подробно рассмотрев те вопросы, которые были поставлены выше, можно заключить:

1. Чугун – это сплав железа с углеродом с добавлением специальных модификаторов;
2. Для его производства добываются различные типы руд, подвергающиеся предварительной подготовке и обогащению;
3. Выплавка происходит в доменной печи, которая непрерывно работает и представляет собой целый металлургический комплекс оборудования;
4. В зависимости от количества и форм растворенного углерода в металлической матрице, все сплавы делятся на различные виды и обладают различными свойствами;
5. Применение различных марок чугуна напрямую зависит от его физико-химических параметров полученного сплава;
6. Несмотря на наличие новых типов материалов, кухонная чугунная посуда до сих пор пользуется спросом у многих домохозяек и поваров;
7. Старинные угольные чугунные утюги представляли собой маленькую печку и топились углем, что делало процесс глажки очень утомительным и пожароопасным делом;
8. Производство чугуна достаточно энергоёмкое и финансово затратное дело, поэтому в настоящее время его объем неизменно сокращается во всем мире, так как на смену приходят другие современные, износостойкие и дешевые в изготовлении композиционные материалы.