«Железное литьё» известно человечеству с незапамятных времен. В наше время оно широко используется во многих сферах народного хозяйства и носит название – чугун. И если о коленвалах, картерах редукторов, ступицах колес, арматуре обычный человек может и не знать, то о сковородках, чугунках, радиаторах, ваннах, решетках и других чугунных изделиях знают все.
Металлургическая промышленность производит разные простые и специальные виды чугуна, для каждого из которых существует своя сфера применения.
Особенности чугунов
Чугун – железоуглеродистый сплав, выплавляемый с использованием топлива из магнитного, красного или бурого железняка, с добавлением специальных неорганических веществ – плавней (флюсов).
Очень многие не видят принципиальных отличий между сталью и чугуном, ошибочно предполагая, будто это одно и тоже.
Оба продукта металлургии являются сплавами – состоят из нескольких компонентов, одним из которых является железо.
Чугун выступает сырьём для производства стали.
Технологические свойства:
- у стали – деформационные (штамповка, вальцевание, ковка);
- у чугуна – литейные.
Присутствие углерода:
- сталь – 0,02 — 2,14 %;
- чугун – 2,14 — 6,67 %.
Внешние отличия:
- чугун темный и матовый;
- сталь серебристая и блестящая.
Различные физические характеристики
У чугуна:
- выше литейные качества;
- легко обрабатывается резанием;
- имеет меньший вес;
- ниже температура плавления.
К минусам чугуна можно отнести:
- малая пластичность;
- хрупкость;
- слабо поддаётся ковке и сварке.
У чугуна низкая себестоимость, он дешевле стали.
Добавки и примеси
Весь поставляемый чугун регламентирован ГОСТами по своему химическому составу и содержанию примесей. Чугунное литьё, помимо железа, имеет в себе некоторые «ингредиенты», влияющие на конечный продукт и добавляющие определенные особенности:
- углероды – увеличивают твердость сплава;
- кремний – улучшает литейные качества;
- марганец – придает крепость;
- сера — «загущает», ограничивает жидкотекучесть чугуна.
- фосфор вызывает образование трещин в холодном состоянии и снижает механические параметры.
С целью улучшения исходного материала чугун легируют, то есть вводят различные легирующие добавки, изменяющие физические и/или химические свойства.
Легирующие добавки:
- цирконий;
- алюминий;
- молибден;
- титан;
- ванадий;
- медь;
- хром.
Чугуны с большим содержанием кремния и марганца в составе относят к легированным.
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.
Классификация чугунов
Металлургическая промышленность выпускает разные виды чугуна. Сорт зависит от участвующих в сплаве форм графита или цементита и остальных компонентов.
Серый чугун (СЧ)
Обозначают буквами СЧ. На разрезе – серовато-черный, что обусловлено присутствием графита, этого природного цвета. В составе также присутствуют различные примеси, в том числе и кремний. Этот вид чугуна, свободно поддающийся резке и часто употребляющийся в машиностроительной отрасли для «неосновных» деталей, при добавлении фосфора становится жидкотекучим. Применим для всех видов литья, в том числе художественного.
Белый чугун
На разрезе светлый, благодаря присутствию карбида железа. Подвергается дальнейшей переработке на ковкий чугун и сталь. Поэтому сорт называют передельным. Свойства – хрупкость и твердость, слабо обрабатываемый, не годится для самостоятельного использования. Твердый, слабо подвержен обработке, хрупкий – такие свойства делают его непригодным для самостоятельного использования.
Ковкий чугун
Обозначение — КЧ. При длительном отжиге белый чугун преобразуется в ковкий.
Свойства – не поддаётся обработке давлением, но при этом обладает повышенной сопротивляемостью ударам и прочностью при растяжении. Ковкий чугун подходит для изготовления деталей усложненной конфигурации.
Высокопрочный
Маркируют буквами ВЧ. Получают при введении в серый жидкий чугун спецдобавок, для придания графиту сфероидальной формы. Высокопрочный вид чугуна применяют для изготовления ответственных деталей – шестерён, коленвалов, поршней, которые должны иметь высокую износоустойчивость.
Форма выпуска передельного и литейного видов – специальные формы – чушки. Современные технологии позволяют получить полуфабрикаты, квадратные, листовые, пластинчатые, брусковые заготовки разновидностей чугуна.
В зависимости от назначения и химсостава выделяют следующие разновидности чугуна:
- ферросплавы
- легированные.
Они имеют названия, соответствующие металлам-добавкам:
- циркониевые;
- хромистые;
- ванадиевые;
- медные;
- титановые.
Легированные виды более всего востребованы в производстве агрегатов, механизмов, узлов и деталей, работающих в особо неблагоприятных средах и условиях.
Чугун, отличающийся увеличенным процентным включением ферромарганца или ферросилиция, относят к специальным – ферросплавам. Добавляются в сталеплавильном производстве для выделения кислорода – раскисления.
К легированным чугунам относят:
- Антифрикционные;
- Жаростойкие;
- Жаропрочные;
- Коррозионностойкие.
Антифрикционные виды маркируются первыми буквами АЧ. Например, АЧС — это антифрикционный серый чугун. Ещё можно увидеть маркировку АЧВ — антифрикционный высокопрочный чугун и АЧК — антифрикционный ковкий.
Жаростойкий вид маркируют буквами ЖЧ. Далее указывается буква обозначающая легирующий элемент. Например, ЖЧХ-2,5. Это жаростойкий чугун с добавлением хрома 2,5%.
К жаростойким относят марки: ЧН19ХЗШ.
К коррозионностойким: маркировка ЧНХТ, ЧН1МХД
Еще их называют специальными чугунами.
Физический свойства
Чугун получил широкое распространение благодаря привлекательным физическим качествам:
Читайте также: Утилизация отходов разных классов
- Стоимость материала существенно ниже стоимости других сплавов. Именно поэтому его применяют для создания самых различных изделий.
- Рассматривая плотность чугуна, отметим, что данный показатель существенно ниже, чем у стали, за счет чего материал становится намного легче.
- 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.
- 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.
Производство
Технология промышленного извлечения железа из железосодержащего сырья и получение чугуна достаточно трудоёмкая и сложная. Нет смысла описывать все химические и технологические процессы и углубляться в терминологию. Изучить вопрос можно при желании в источниках по металлургии.
Чугун выплавляют из магнитного, красного, бурого железняка, на металлургических комбинатах, в специальных доменных печах. Топливом служит кокс, который частично могут заменять мазутом или газом.
Руда проходит предварительную подготовку, прежде чем попасть в доменную печь. Помимо руды и топлива, для плавки используют флюсы – известняки, необходимые для образования шлака и удаления серы из расплава.
Методы подготовки зависят от качества руды – это дробление, сортировка, окусковывание, обогащение и другие.
Пройдя все сложные процессы, руда превращается в шихту, которая непрерывно загружается в доменную печь.
Через фурмы в нижней части подается раскаленный воздух, обогащенный кислородом и природный газ, который сгорает под воздействием высоких температур, образуя диоксид кислорода. Поднимаясь выше, газ соединяется с кислородом и с еще не сгоревшим углеродом, преобразуясь в угарный газ СО. Он вступает в реакцию с оксидами железа, «отбирая» у них кислород.
В результате образуется почти чистый металл. Расплавленная чугунная масса стекает в горн. Несгораемые остатки также стекают вниз.
Готовый чугун сливают через определенные промежутки времени в специальные ковши.
Пока в печи идет процесс плавки, отверстие, через которое выпускают чугун, забивают специальной пробкой из тугоплавкой массы. Чтобы выпустить металл, в пробке пробивают отверстие. По специальным каналам в полу цеха поток расплавленного металла течет «красным сливом».
Жидкий шлак также выпускают из печи по другому каналу.
С каждой плавки берется проба. Металл заливают в специальную форму и делают анализ. Все процессы автоматизированы. За ними следят операторы.
А простому обывателю домна представляется гигантской пробиркой, в которой происходит «таинство» превращения железной руды в чугун.
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.
Достоинства и недостатки материала
Стоит обсуждать в сравнении со сталью, хотя низкокачественная углеродистая сталь – тот же чугун по сути.
По некоторым параметрам (плотность, свойство магнититься, типичные химические реакции) ферросплавы практически идентичны. Существенны отличия в технологии использования.
Преимущества:
- Умеренная стоимость.
Насыщение углеродом – часть процесса выплавки из руды. Снижение его содержания неизбежно удорожает металл.
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.
