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 марки угля, которые служат для нагнетания и поддержания требуемой температуры внутри шахты печи. 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 (валки прокатных станов).
Кстати, белый чугун 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/мм2), 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/мм2), 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, ковкий чугун 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/мм2.
- Повышенная прочность: σв = 20 — 38 кг/мм2.
- Высокая прочность: σв = 40 кг/мм2 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.
