Чугун: понятие, производство, особенности, структура, свойства и применение

Что такое чугун

Итак, давайте выясним, какие сплавы железа с углеродом называют чугунами.

Понятие

Чугун представляет собой сплав железа с углеродом с содержанием углерода, то есть относится к материалу, состоящему из сплава железа и углерода. Процент углерода в чугуне составляет более 2,14%. Последний элемент может поступать в чугун в виде графита или цементита.

Разновидности

Это белый и серый чугун.

• Углерод в белом чугуне находится в форме карбида железа. Если его разбить, то можно увидеть белый прилив. В чистом виде белый чугун не используют. Он добавляется в процесс производства ковкого чугуна.
• На изломе серый чугун имеет серебристый блеск. Этот тип чугуна имеет широкий спектр применения. Он хорошо подходит для срезки.

Кроме того, чугун отличается высокой прочностью, ковкостью и обладает особыми свойствами.

• Ковкий чугун используется для повышения прочности изделия. Механические свойства такого чугуна позволяют сделать это в совершенстве. Ковкий чугун получают из серого в результате добавления в массу примеси магния.
• Ковкий чугун является разновидностью серого. Название не означает, что этот чугун легко поддается ковке. Обладает улучшенными свойствами пластичности. Его получают отжигом из белого чугуна.
• Он тоже наполовину чугунный. В нем часть углерода находится в виде графита, а оставшаяся часть в виде цементита.

Особенные черты

Особенность чугуна заключается в процессе производства. Средняя температура плавления разных марок чугуна составляет 1200ºС. Это значение на 300 градусов меньше, чем для стали. Это связано с очень высоким содержанием углерода. Атомы углерода и железа не имеют очень тесной связи друг с другом.

Когда идет процесс плавки, углерод не может быть полностью включен в решетку железа. В результате чугун становится хрупким. Его нельзя использовать для изготовления деталей, на которые будет постоянно действовать нагрузка.

Чугун относится к материалам черной металлургии. Его свойства часто сравнивают со сталью. Изделия из стали или чугуна широко используются в нашей жизни. Их использование оправдано. Сравнив свойства, можно сказать об этих двух материалах следующее:

• Стоимость чугунных изделий ниже, чем цена стальных.
• Материалы различаются по цвету. Чугун — темный матовый материал, а сталь — светлая и блестящая.
• Чугун легче отливать, чем сталь. Но сталь легче сваривать и ковать.
• Чугун менее прочен, чем сталь.
• Чугун легче стали.
• Сталь имеет более высокое содержание углерода, чем сталь.

Плюсы и минусы

Чугун, как и любой другой материал, имеет свои достоинства и недостатки.

К преимуществам чугуна относятся:

• Углерод в чугуне может находиться в разных состояниях. Поэтому этот материал может быть двух видов (серый и белый).
• Некоторые виды чугуна обладают повышенной прочностью, поэтому чугун иногда приравнивают к стали.
• Чугун может долго сохранять температуру. Это означает, что при нагреве тепло равномерно распределяется по материалу и сохраняется в нем длительное время.
• С точки зрения экологичности чугун — чистый материал. Поэтому его часто используют для приготовления блюд, где пища затем готовится.
• Чугун устойчив к кислотно-щелочным средам.
• Чугун имеет хорошую гигиену.
• Материал имеет достаточно долгий срок службы. Замечено, что чем дольше используется чугун, тем лучше его качество.
• Чугун – прочный материал.
• Чугун – безвредный материал. Он не способен нанести даже незначительного ущерба организму.

К недостаткам чугуна относятся:

• Чугун ржавеет при кратковременном контакте с водой.
• Чугун – дорогой материал. Однако этот недостаток оправдан. Чугун очень качественный, практичный и надежный. Изделия из него также отличаются высоким качеством и долговечностью.
• Серый чугун характеризуется низкой пластичностью.
• Для белого чугуна характерна хрупкость. В основном идет на плавку.

Свойства и характеристики

Чугун обладает следующими свойствами:

1. Физический. К таким свойствам относятся: удельный вес, коэффициент линейного расширения, фактическая усадка. Удельный вес зависит от содержания углерода в материале.
2. Термальный. Теплопроводность материала обычно рассчитывается по правилу смещения. Для твердого чугуна объемная теплоемкость равна 1 кал/см3*oC. Если чугун жидкий, то около 1,5 кал/см3*°С.
3. Механический. Эти свойства зависят от самой основы, а также размера и формы графита. Наиболее прочным является серый чугун с перлитной основой, а наиболее пластичным — с ферритной основой. Максимальное снижение прочности наблюдается у графитовой «пластинки», минимальное — у «шарика».
4. Гидродинамический. Вязкость чугуна зависит от присутствия марганца и серы. Она также резко повышается, когда температура чугуна проходит точку затвердевания.
5. Технологическая. Чугун обладает отличными литейными свойствами, стойкостью к износу и вибрации.
6. Химический. По электродному потенциалу (при его уменьшении) структурные компоненты чугуна располагаются в следующем виде: цементит — фосфидная эвтектика — феррит.

Отличия чугуна от стали по химическому составу и свойствам

На свойства чугуна влияют специальные примеси.

• Таким образом, добавление серы может значительно снизить текучесть и снизить огнеупорность.
• Добавление фосфора позволяет создать изделие сложной формы, но не придает ему повышенной прочности.
• Включение в виде кремния означает, что температура плавления не столь высока, и значительно улучшает литейные свойства. Разное процентное содержание кремния позволяет изготавливать разные чугуны: от чисто белого до ферритного.
• Марганец ухудшает литейные и технологические свойства, но повышает прочность и твердость.

Кроме этих примесей в состав чугуна могут входить и другие компоненты. Тогда такие материалы будут называть легированными. Чаще всего в чугун подмешивают титан, хром, алюминий, никель и медь.

Вы тогда узнаете, какие элементы входят в химический состав чугуна.

Области использования

Применение разных марок чугуна зависит от металлургического состава и его эксплуатационных характеристик.

Белая порода используется в производстве элементов отопления и бытовой сантехники (ванны, раковины), а также является сырьем для производства тягучих разновидностей твердых растворов.

Серый — входит в состав различных элементов двигателей для мастерской промышленности.

Формовочные – при производстве тормозных колодок и деталей для промышленного шлифовального оборудования. Кроме того, он имеет широкое применение в текстильной промышленности при литье деталей сложной формы для оборудования. Используется для производства кухонного оборудования, элементов интерьера, уличных фонарей, лестничных ограждений.

Высокий класс прочности используется в производстве труб, фитингов для водоснабжения, канализации, нефтедобычи. Кроме того, из него изготавливают секционные радиаторы, которые используются в системах центрального отопления жилых домов и административных зданий.

Из ферромагнитного типа изготавливают электрощиты и другие компоненты электрооборудования, а его немагнитный тип, наоборот, используют в качестве электроизоляционного материала.

Чугун в больших количествах используется в качестве сырья на сталелитейных заводах.

Характерные черты и свойства чугуна

Этот металлический сплав обладает следующими свойствами:

1. Физические свойства: удельный вес, фактическая усадка, коэффициент линейного расширения. Например, содержание углерода в чугуне напрямую влияет на его удельный вес.
2. Тепловые свойства. Теплопроводность обычно рассчитывается по правилу смещения. Для твердого состояния металла объемная теплоемкость равна 1 кал/см3*оС. Если металл находится в жидком состоянии, она примерно равна 1,5 кал/см3*°С.
3. Механические свойства. Примечательно, что на эти свойства влияет как сама основа, так и форма и размер графита. Серый чугун с перлитной основой — самый прочный, а с ферритной — наиболее пластичный. Для пластинчатой ​​формы графита характерно максимальное снижение прочности, а для сферической формы это снижение минимально.
4. Гидродинамические свойства. Наличие в составе марганца и серы влияет на вязкость материала. Она также имеет тенденцию к увеличению, когда температура сплава превышает начальную точку затвердевания.
5. Технологические свойства. Этот металл характеризуется отличными литейными свойствами, а также устойчивостью к износу и вибрации.
6. Химические свойства. По мере уменьшения электродного потенциала структурные компоненты сплава располагаются в следующем порядке: цементит – фосфидная эвтектика – феррит.

На свойства сплава также влияют специальные примеси:

• 
  Добавление серы значительно снижает текучесть и снижает огнеупорность.
• Фосфор позволяет изготавливать изделия разной формы, но при этом снижает прочность.
• Добавление кремния снижает температуру плавления материала, а также значительно улучшает литейные свойства. Содержание кремния в разном процентном соотношении позволяет получать сплавы разного цвета: от ферритного до чисто-белого.
• Наличие в сплаве марганца значительно повышает твердость и прочность материала, но одновременно ухудшает его литейные и технологические качества.
• Кроме этих примесей в состав сплава могут входить и другие компоненты. В этом случае материалы называются легированными. Чаще всего к чугуну примешивают титан, алюминий, хром, медь и никель.

Виды сплавов

Углерод в чугуне можно найти в двух формах:

• в виде цементита – химическое соединение;
• в виде графита – природного минерала, являющегося аналогом углерода.

Цементит придает сплаву белый цвет, а графит придает ему серый цвет. Благодаря этой особенности различают два вида чугуна — белый и серый. Серый чугун содержит крупные включения графита, сильно повышающие хрупкость.

Использование белого варианта очень ограничено. Из-за чрезмерной твердости и хрупкости его трудно резать. Поэтому его чаще всего используют для создания поверхностного слоя, требующего повышенной твердости. Также из компаундов белого чугуна отливают шары для измельчения промышленного сырья.

Графит придает материалу пластичность. А вот серый сорт содержит больше вредных примесей в виде серы и фосфора, от которых невозможно избавиться в процессе производства.

Для повышения пластичности чугуна и снижения его хрупкости в сплавы добавляют магний и церий. С помощью этих веществ можно изменить форму графита и тем самым устранить хрупкость металла. В результате производители получают высокопрочный чугун, качество которого не уступает стали.

Современные методы производства также позволяют получать ковкий и легированный чугун. Название первой модификации не указывает на возможность обработки металла ковкой. Это лишь свидетельствует о высокой прочности, пластичности и ударной вязкости сплава.

Читайте также: Сварка вольфрамовыми электродами — функции, характеристики

Соединения сплавов обладают улучшенными свойствами, так как в их состав введены легирующие компоненты, что положительно сказывается на структуре, форме и размерах углеродных включений.

Химический состав

Химической формулы чугуна не существует, так как это не отдельное вещество, а сплав двух и более веществ. В состав чугуна входят следующие компоненты:

• железо (Fe) — основа сплава;
• углерод (С);
• кремний (Si);
• марганец (Mn);
• фосфор (Р);
• сера (S);
• хром (Cr);
• никель (Ni);
• молибден (Mo).

Железо и углерод являются основными компонентами сплава.

Кремний — второй по важности элемент после углерода. Это увеличивает текучесть и делает материал мягче. Добавляя кремний, можно улучшить качество отливки. Марганец повышает прочность сплава.

Сера и фосфор являются вредными примесями, от которых невозможно избавиться в процессе производства. Увеличение содержания серы и фосфора ухудшает текучесть металла и приводит к образованию трещин в отливке.

Остальные компоненты добавляются для придания металлу большей прочности, износостойкости и жаростойкости. Они повышают стойкость материала к сухой и мокрой коррозии, а также к агрессивным средам.

Количество легирующих компонентов определяет степень легирования чугуна. В зависимости от этих показателей различают следующие виды чугунных сплавов:

• низколегированные, содержащие не более 2,5% дополнительных компонентов;
• среднелегированные (не более 10%);
• высоколегированные (более 10%).

Хотя стоимость соединений из легированного чугуна намного ниже, чем из нержавеющей стали, изделия из них отличаются долговечностью и высоким качеством.

Физико-механические свойства

Плотность чугуна	6,6-7,8 г/см3
Температура плавления	1200°С
Удельная теплоемкость	500 Дж/кг
Теплопроводность	58 Вт (м*К)
Термический коэффициент линейного расширения	10.4
Твердость	7,5 баллов по шкале Мооса
Модуль упругости	От 8000 для серых типов От 17 000 за высокую прочность
Предел прочности	370-630 Н/мм2
Сила удара	0,01-0,04 МДж/м

Улучшение физических свойств чугуна достигается добавлением ванадия и молибдена. Марганец и кремний позволяют повысить прочность. Хотя количество каждой примеси в сплаве не превышает 1 %, их добавлением можно повысить ударную вязкость сплава и снизить его хрупкость.

Плотность чугуна в кг/м3 колеблется в пределах 6600-7800. То есть он легче стали, но намного прочнее. Этот фактор объясняется твердостью, которая всего на 2,5 балла ниже, чем у алмаза.

Тепловые свойства

Свойства чугуна меняются при нагревании. Термические свойства зависят от состава сплава. Показатель теплоемкости зависит от наличия компонентов сплава, а также от интенсивности нагрева материала – чем он выше, тем больше теплоемкость. Удельная теплоемкость чугуна соответствует следующим значениям:

• в твердом состоянии — 1 кал/см3;
• в расплавленном виде — 1,5 кал/см3.

Теплопроводность определяет, насколько материал способен проводить тепло. Значение этого показателя зависит не только от того, какие компоненты входят в состав чугуна в процентном соотношении, но и от структуры самого сплава. Для твердого материала она значительно выше, чем для расплавленного, и колеблется в пределах 0,08—0,13 кал/см3.

Гидродинамические свойства

В зависимости от того, сколько углерода в чугуне, вязкость может быть уменьшена или увеличена. Снизить вязкость можно за счет увеличения процентного содержания марганца, снижения содержания серы и добавления компонентов неметаллического происхождения. Прочность увеличивается, когда температура сплава приближается к точке затвердевания.

Достоинства и недостатки

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

К достоинствам чугуна можно отнести такие факторы:

• Иногда ее даже сравнивают по свойствам со сталью, ведь отдельные ее виды отличаются повышенной прочностью.
• Долго сохраняет температуру: при нагреве тепло равномерно распределяется по ней и долгое время остается неизменной.
• Это экологически чистый материал, благодаря чему его часто используют для приготовления блюд, где необходимо непосредственно готовить пищу.
• Не реагирует на кислотно-щелочную среду.
• Это прочный материал.
• Чем дольше используется изделие из этого материала, тем выше его качество.
• Этот материал совершенно безвреден для человеческого организма.

К недостаткам можно отнести следующие факторы:

• 
  Он может заржаветь даже при кратковременном нахождении в воде.
• Это очень дорогой материал, но, несмотря на это, он полностью себя оправдывает. Качество, практичность и надежность – основные черты изделий из этого сплава.
• Серый чугун характеризуется низкой пластичностью.
• Белый очень хрупок и обычно плавится.

Применение

Благодаря особым физико-механическим свойствам применение чугуна стало возможным в ряде областей:

1. Для производства различных деталей в мастерской промышленности. Этот сплав на протяжении многих лет используется для изготовления различных деталей двигателя внутреннего сгорания. При этом производители автомобилей изменяют основные свойства материала путем его легирования, что необходимо для достижения уникальных качеств. Кроме того, широко используются тормозные колодки из этого сплава.
2. Чугунные изделия выдерживают низкие температуры. Поэтому материал используется для производства оборудования и инструментов, которые эксплуатируются в суровых климатических условиях.
3. Чугун ценится в металлургической сфере. Это связано с низкой стоимостью, которая во многом зависит от концентрации углерода и свойств получаемой структуры. Высокие литейные свойства также делают материал более привлекательным. Полученные изделия отличаются высокой прочностью и износостойкостью.
4. В течение последних десятилетий рассматриваемый сплав широко используется в производстве сантехнического оборудования. Это связано с высокими антикоррозийными возможностями, а также возможностью получения изделий разной формы. Примером могут служить чугунные ванны и радиаторы, различные трубы, радиаторы и раковины. Несмотря на появление материалов, способных заменить чугун, такие изделия пользуются большой популярностью. Это связано с тем, что они сохраняют свой первоначальный вид на протяжении длительного периода эксплуатации.
5. Сплав также используется для изготовления различных декоративных элементов, что связано с высокими литейными свойствами. Примером может служить сетка перил, различные формы и многое другое.

Чугунные сковороды

Чугунные радиаторы

Кроме того, область применения зависит от следующих свойств рассматриваемого материала:

1. Некоторые марки обладают высокой прочностью, характерной для стали. Именно поэтому материал используется даже после появления современных сплавов.
2. Изделия из чугуна могут долго сохранять тепло. В этом случае тепловая энергия может распределяться равномерно по всему материалу. Эти свойства стали использовать при производстве радиаторов или других подобных изделий.
3. Принято считать, что чугун является экологически чистым материалом. Поэтому его часто используют для приготовления различных блюд, например запеканки.
4. Высокая стойкость к кислотно-щелочной среде.
5. Высокая гигиеничность, так как все загрязнения легко удаляются с поверхности.
6. Оцениваемый материал характеризуется достаточно длительным сроком службы при соблюдении рекомендаций по эксплуатации.
7. Химические вещества, входящие в состав, не могут навредить здоровью.

В заключение отметим, что давно открытая технология производства рассматриваемого материала остается практически неизменной на протяжении многих лет. Это связано с тем, что при относительно небольших затратах можно было получить большой объем расплавленного сплава. Сегодня часто осуществляется производство материала из лома, что позволяет еще больше удешевить получаемый продукт.

Белый

Этот сплав отличается содержанием избыточного углерода в виде карбида или цементита. Название этому виду было дано за белый цвет жука. Содержание углерода в таком чугуне обычно превышает 3%. Белый чугун очень хрупок и ломок, поэтому его применяют ограниченно. Этот тип используется для производства деталей простой конфигурации, выполняющих статические функции и не несущих больших нагрузок.

Вводя в состав белого чугуна легирующие добавки, можно повысить технические параметры материала. Для этого чаще всего используют хром или никель, реже ванадий или алюминий. Торговая марка с такой добавкой называлась «сормит». Он используется в различных устройствах в качестве нагревательного элемента. «Сормит» имеет высокое удельное сопротивление и хорошо работает при температурах не выше 900 градусов. Наиболее распространено использование белого чугуна в производстве бытовых ванн.

Механические свойства серого чугуна

Для конечного потребителя отливок из серого чугуна важны не только уже описанные выше литейные свойства, но и такие свойства:

• прочность;
• устойчивость к износу при воздействии трения;
• герметичность или устойчивость к трещинам, порам.

Эти свойства определяются структурой и твердостью металла, а именно: чем меньше графитовых пластин в структуре деталей из серого чугуна, тем эти свойства выше. Особо высокая твердость требуется от отливок, постоянно подвергающихся ударным и абразивным нагрузкам.

Изделия, работающие при высоком давлении жидкостей и газов, т е трубопроводы, насосы, компрессоры, гидроприводы, должны иметь максимальную герметичность. Это качество определяется текучестью металла, изменением давления и наличием транзитной микропористости.

Перлитный серый чугун обладает наибольшей прочностью, поэтому его используют в качестве материала для деталей, подвергающихся высоким нагрузкам в процессе эксплуатации.

Не забывайте, что серый чугун может треснуть при сварке, а некоторые варианты в принципе не поддаются сварке.

ГОСТ 1412-85 устанавливает для этого металла следующий комплекс механических свойств:

Бренд	Качество чугуна по СТ СЭВ 4560-84	Предел прочности при растяжении σВ, МПа, (кгс/мм2), в пределах
МФ10	31110	100 (10)
МФ15	31115	150 (15)
МФ18	–	180 (18)
МФ20	31120	200 (20)
МФ21	–	210 (21)
МФ24	–	240 (24)
МФ25	31125	250 (25)
МФ30	31130	300 (30)
МФ35	31135	350 (35)

Ориентировочная прочность на растяжение и твердость стенок из серого чугуна по ГОСТ 1412-85 находится на следующем уровне:

Качество чугуна	Толщина литой стенки, мм
четыре	восемь	пятнадцать	тридцать	50	80	150
Предел прочности при растяжении, МПа, от
МФ10	140	120	100	80	75	70	65
МФ15	220	180	150	110	105	90	80
МФ20	270	220	200	160	140	130	120
МФ25	310	270	250	210	180	165	150
МФ30	–	330	300	260	220	195	180
МФ35	–	380	350	310	260	225	205
Твердость HB, внутри
МФ10	205	200	190	185	156	149	120
МФ15	241	224	210	201	163	156	130
МФ20	255	240	230	216	170	163	143
МФ25	260	255	245	238	187	170	156
МФ30	–	270	260	250	197	187	163
МФ35	–	290	275	270	229	201	179

Химический состав серого чугуна разных марок (ГОСТ)

По ГОСТу серый чугун может быть следующих качеств:

Бренд	Массовая доля, %
Основные компоненты	Примеси (внутри)
С	Сказать	Г-н	П	С
МФ10	3,5–3,7	2,2–2,6	0,5–0,8	0,3	0,15
МФ15	3,5–3,7	2,0–2,4	0,5–0,8	0,2	0,15
МФ20	3,3–3,5	1,4–2,4	0,7–1,0	0,2	0,15
МФ25	3,2–3,4	1,4–2,2	0,7–1,0	0,2	0,15
МФ30	3,0–3,2	1,3–1,9	0,7–1,0	0,2	0,12
МФ35	2,9–3,0	1,2–1,5	0,7–1,1	0,2	0,12

Серый

Это самый распространенный вид чугуна. Она нашла применение в различных областях народного хозяйства. В сером чугуне углерод присутствует в виде перлита, графита или феррито-перлита. В таком сплаве содержание углерода составляет ок. 2,5%. Что касается чугуна, то этот материал обладает высокой прочностью, поэтому его используют для изготовления деталей, получающих циклические нагрузки. Из серого чугуна изготавливают втулки, кронштейны, шестерни и промышленное оборудование.

Благодаря графиту серый чугун снижает трение и улучшает работу смазочных материалов. Поэтому детали из серого чугуна обладают высокой стойкостью к этому виду изнашивания. При эксплуатации в особо агрессивных средах в материал вводят дополнительные добавки, позволяющие нивелировать негативное воздействие. К ним относятся: молибден, никель, хром, бор, медь и сурьма. Эти элементы защищают серый чугун от коррозии. Кроме того, некоторые из них увеличивают графитизацию свободного углерода в сплаве. Это создает защитный барьер, препятствующий попаданию вредных элементов на поверхность чугуна.

Классификация

Чугун классифицируют по нескольким основаниям:

• По размерам и форме включений графита. Слоистый, шаровидный, червеобразный, чешуйчатый.
• Углеродный тип. Графит, цементит.
• Технология производства. Серый, белый, переделанный.
• В наличии добавки. Обычный и сплав. Сплавы – это сплавы чугуна с металлами (молибденом, никелем, хромом, титаном и др.). Сплавы с такими металлами придают изделиям пластичность, устойчивость к износу, разрушению и коррозии.

Микроструктура белого чугуна

Характеристики продукта определяются на этапе производства.

Маркировка чугуна

В промышленности разновидности чугуна маркируются следующим образом:

• чугун передельный — П1, П2;
• чугун для отливок (чушковое литье) — ПЛ1, ПЛ2;
• конверсионный фосфористый чугун — ПФ1, ПФ2, ПФ3;
• конверсия высококачественного чугуна — ПВК1, ПВК2, ПВК3;
• чугун с пластинчатым графитом – СК (цифры после букв «СК» обозначают значение предела прочности в кгс/мм).

Антифрикционный чугун:

• антифрикционный серый — ASF;
• антифрикционные повышенной прочности — АЧВ;
• антифрикционный ковкий — АЧК;
• чугун с шаровидным графитом для отливок — HF (цифры после букв «HF» означают предел прочности при растяжении в кгс/мм и относительное удлинение (%);
• чугун легированный со специальными свойствами — гл.

Интересные факты

По мнению профессора Мариенбаха, чугун получил свое название от китайского слова — «чжугун», что означает «литой».

Чугунная посуда уже давно используется во всем мире и очень удобна для приготовления различных блюд.

Неотъемлемой чертой русских народных сказок является печь, в которой богатыри варили главное блюдо – картошку в мундире в чугунном котле – сосуде определенной формы, отлитом из этого сплава.

Лучшие блины готовятся на чугунной сковороде.

До появления электрических утюгов домохозяйки пользовались тяжелыми чугунными утюгами с идеально гладкой подошвой и нагревали их докрасна над огнем.

Следующей ступенью стали чугунные угольные утюги, которые по своей конструкции напоминали небольшие печи. Внутрь помещали березовый уголь, чтобы их нагреть. Такой утюг имел даже трубку для получения необходимой тяги.

Известные нам с детства тазы для тазов были круглыми, чугунными и впервые были изготовлены сто пятьдесят лет назад.

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

Получение

Производство чугуна является очень дорогим и материалоемким процессом. Чтобы получить одну тонну сплава, нужно 550 кг кокса и 900 литров воды. Что касается руды, то количество зависит от содержания в ней железа. Как правило, используют руду с массовой долей железа не менее 70%. Переработка менее богатых руд экономически нецелесообразна.

Перед тем, как отправиться в плавильню, материал обогащается. Производство чугуна в 98% случаев происходит в доменных печах.

Технологический процесс включает несколько стадий. Сначала в доменную печь загружают руду, в состав которой входит магнитный железняк (соединение оксида двухвалентного и трехвалентного железа). Можно также использовать руды, содержащие водный оксид железа или его соли. Кроме сырья в топку помещают коксующийся уголь, необходимый для создания и поддержания высокой температуры. Продукты сгорания угля, такие как восстановители железа, также участвуют в химических реакциях.

Кроме того, в печь добавляется флюс, играющий роль катализатора. Он ускоряет процесс плавления горных пород и высвобождения железа. Важно отметить, что перед поступлением в печь руда должна пройти специальную обработку. Так как мелкие детали плавятся лучше, их измельчают на дробильной установке. Затем руду промывают, чтобы избавиться от неметаллических примесей. Затем сырье сушат и обжигают в печах. Благодаря обжигу из него удаляют серу и другие посторонние элементы.

После полной загрузки печи начинается второй этап производства. При включении горелок кокс постепенно нагревает сырье. При этом высвобождается углерод, который вступает в реакцию с кислородом с образованием оксида. Последний принимает активное участие в восстановлении железа из соединений руды. Чем больше газа скапливается в топке, тем медленнее протекает реакция. При достижении нужной пропорции реакция полностью прекращается. Избыточные газы также служат топливом для поддержания необходимой температуры в топке. Этот метод имеет несколько сильных сторон. Во-первых, это позволяет снизить затраты на топливо, что удешевляет производственный процесс. А во-вторых, продукты сгорания не попадают в атмосферу и не загрязняют ее, а продолжают участвовать в производстве.

Избыток углерода смешивается с расплавом и поглощается железом. Так делают чугун. Нерасплавившиеся примеси всплывают на поверхность смеси и удаляются. Их называют шлаками. Шлак находит применение в производстве некоторых материалов. Когда из расплава удалены все лишние частицы, в него добавляют специальные добавки.

Структура и состав

Если рассматривать чугун как конструкционный материал, то это металлическая полость с включениями графита. Структура чугуна состоит в основном из перлита, ледебурита и ковкого графита. При этом для каждого вида чугуна эти элементы преобладают в разной пропорции или вовсе отсутствуют.

По структуре чугун бывает:

• перлит,
• ферритный и
• ферритно-перлитный.

Графит присутствует в этом материале в одной из следующих форм:

• Сферический. Графит принимает такую ​​форму при добавлении добавок магния. Сферическая форма графита характерна для высокопрочного чугуна.
• Пластик. Графит напоминает форму лепестков. В таком виде графит присутствует в обычном чугуне. Этот чугун обладает высокими свойствами пластичности.
• Отслаивание. Графит принимает такую ​​форму в результате отжига белого чугуна. Графит в виде чешуек встречается в ковком чугуне.
• Вермикулярный. Графит названной формы встречается в сером чугуне. Он был разработан специально для улучшения пластичности и других свойств.

Производство металла

Чугун производится в специальных доменных печах. Основным сырьем для производства чугуна является железная руда. Технологический процесс заключается в восстановлении оксидов железа из руды и получении на выходе другого материала — чугуна. Для производства чугуна используются следующие виды топлива: кокс, природный газ и термический антрацит.

После восстановления руды железо имеет твердую форму. Затем его опускают в специальную часть печи (паровую), где углерод растворяется в железе. На выходе получается жидкий чугун, который попадает в нижнюю часть печи.

Цена чугуна (за 1 кг) зависит от количества в нем углерода, от наличия дополнительных примесей и легирующих компонентов. Ориентировочно цена тонны чугуна составит 8000 руб.

История

Документально подтвержденная история чугуна начинается с первого тысячелетия до нашей эры:

• Плавку освоили китайцы и их соседи.
• С V века до н.э начался период декоративного чугунного литья.
• Спустя 600 лет в Китае появились монеты.

Появление сплава в Европе относится к XIV веку, в России – спустя двести лет. Интерес возрос из-за пригодности чугуна в качестве материала для пушек и ядер.

Со времен королевы Виктории камины стали самым популярным товаром «гражданского сегмента» у англичан.

Чугунный угольный чугун

Расцвет черной металлургии в России приходится на 18 век:

• Были мосты, рельсы.
• На Урале изобрели чугун – посуду номер один для русской печи. Позже к ним добавились сковородки.
• К концу века Россия стала мировым лидером по производству чугуна.

Оригинальный мост через Тай с севера (завершен в 1878 г)

Мировую известность получили ажурные изделия каслинских мастеров.

Литейный метод отливки художественных отливок сложной формы, изобретенный каслинцами, и сегодня востребован машиностроителями.

Особенности сплава

Основная особенность чугуна скрыта в процессе производства. Дело в том, что у разных видов этого сплава температура плавления достигает 1200 ºС, а у стали – 1500 ºС. На этот фактор влияет слишком высокое содержание углерода. Атомы железа и углерода не имеют очень тесных связей друг с другом.

Когда происходит плавление, атомы углерода не могут быть полностью включены в молекулярную решетку железа, в результате чего чугунный сплав становится хрупким. В связи с этим его не используют для производства деталей, которые будут постоянно подвергаться нагрузкам.

Этот материал относится к черной металлургии и по своим свойствам близок к стали. Изделия из железа и стали широко используются в быту, и это вполне оправдано.

Если сравнить свойства этих металлов, то можно сделать следующие выводы:

1. Стоимость изделий из стали выше стоимости чугуна.
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 более долговечна, чем чугун.
5. Сталь тяжелее.
6. Он имеет более низкое содержание углерода, чем чугун.

Действие добавок на свойства чугунов

Если говорить об углероде в составе чугуна, то увеличение его относительной массы в составе сплава положительно сказывается на текучести горячего жидкого сплава. В то же время при выделении углерода в виде графита в структуре сплава увеличивается объем отливаемого изделия, что частично компенсирует усадку после полной кристаллизации. Таким образом, углерод положительно влияет на качество литья и позволяет отливать достаточно точные размеры заготовок.

Кремний

Он является хорошим катализатором выделения графита в структуре сплава, что важно при производстве серого чугуна. При взаимодействии железа с кремнием образуются силицидные соединения FeSi и Fe₃Si₂, которые активизируют образование графитовых пластин, блокируют образование в структуре цементита, повышающего хрупкость материала. Кроме того, кремний повышает текучесть сплава, снижает температуру плавления, уменьшает скорость охлаждения, что улучшает формование отливок. Содержание кремния в массе серого чугуна может находиться в пределах 0,8-3,6%.

Марганец

Кремниевый элемент обратного действия — для стабильного удержания углерода в составе образующегося карбида (цементита), обеспечивающего отбеливание чугуна. Предельное содержание марганца в сером чугуне находится в пределах 0,5-1,5%.

Сера

Уменьшает течение расплавленного чугуна, снижает выделение графита и повышает его хрупкость. Этот элемент отрицательно влияет на качество сплава; поэтому содержание композиции не должно превышать 0,7%

Фосфор

Элемент создает в структуре твердую и хрупкую эвтектику, поэтому в чугуне, предназначенном для изготовления деталей, подвергающихся малейшим ударным нагрузкам, его содержание не должно превышать 0,3 %. Однако для литых деталей, требующих повышенной износостойкости, содержание фосфора доводят до массового содержания в пределах 0,7-0,8%. Кроме того, фосфор повышает литейные свойства, снижает температуру плавления и уменьшает объемную усадку. Доведя содержание фосфора до 1,2%, вы получите гладкие, тонкие и чистые отливки. При таком содержании фосфора чугун используют для художественного литья.

Никель

Применяется как легирующий элемент для выравнивания механических свойств отливок со стенками разной толщины, способствует повышению твердости, коррозионной стойкости и обрабатываемости.

Медь

повышает текучесть, твердость и прочность, стимулирует процессы графитизации в структуре металла.

Титан

Элемент замедляет процесс выделения графита при содержании до 0,05%. С увеличением содержания титана замедляется процесс графитизации и повышаются механические свойства.

Хром

Замедляет процесс расслоения графита, приводит к дроблению графитовых включений, увеличивает дисперсность перлита, повышает прочность и твердость, снижает текучесть и пластичность сплава.

Магний

Стимулирует выделение графита при содержании элемента в сплаве до 0,01 %, при увеличении количества стимулирует отбеливание сплава.