Применение чугуна кратко и понятно

Обновлено: 02.07.2024

Чугун — это сплав железа с фосфором, кремнием и углеродом, который давно нашел применение в различных областях человеческой деятельности.

Популярность чугуна обусловлена его механической твердостью, высокой сопротивляемостью износу, простотой обработки и дешевизной производства. Основным способом получения чугунных изделий является литье с последующим фрезерованием для достижения точной формы и отличного качества поверхности. Обычно с помощью фрезерования обрабатываются такие детали, как отверстия, плоскости и места для крепления шпинделя.

К недостаткам готовых чугунных изделий можно отнести их хрупкость даже при небольших дефектах литья, допущенных в процессе изготовления.

В автомобильной промышленности используют чугун с вермикулярным графитом, из которого изготавливают коленчатые валы дизельных двигателей и блоки цилиндров двигателей внутреннего сгорания. Графит значительно повышает прочность сплава, поэтому такой чугун востребован не только в машиностроении, но и в производстве труб для водоотведения и водоснабжения, а также труб для нефтегазовой промышленности. Для таких изделий характерны высокие эксплуатационные качества.

Всем известно сантехническое оборудование из чугуна — ванны, раковины, кухонные мойки, фитинги и трубы. Эти изделия надежны, неприхотливы в уходе и способны длительное время сохранять первоначальный внешний вид. Отопительные радиаторы из чугуна пользуются устойчивым спросом благодаря своей долговечности, хорошим теплоаккумулирующим свойствам и высокой теплоотдаче. Через час после отключения чугунные радиаторы продолжают излучать тепло на треть своей первоначальной мощности, в то время как радиаторы из стали остывают в два раза быстрее.

В арсенале повара самого престижного ресторана обязательно будет посуда из чугуна: горшки, казаны, сковородки. Да и на кухне любой хозяйки можно найти подобные изделия, ведь даже самая дорогая нержавеющая посуда не обладает уникальными характеристиками чугунного сплава. Ученые доказали, что в процессе приготовления чугун обогащает пищу соединениями железа, полезными для здоровья человека.

Чугун — пористый металл, который обладает способностью впитывать жиры в процессе приготовления. Благодаря этому антипригарные свойства посуды со временем только улучшаются, что облегчает процесс жарки и тушения.

Чугунные сплавы широко используются в сфере художественного архитектурного литья, в производстве ажурных ограждений и решеток, винтовых лестниц и балконов, беседок, каминов и светильников, столбов, фонарей и скульптур.

Что такое чугун

В зависимости от содержания углерода относительно эвтектики выделяют разновидности металла. Эвтектика – состав сплава с минимальной температурой плавления.

доэвтектический — 2,14 — 4,3% углерода;

эвтектический — 4,3% углерода;

заэвтектический — от 4,3 до 6,67% углерода.

Виды чугуна

В общепринятой классификации разделяют по форме содержащегося углерода.

Белый

Называется так из-за характерного окраса скола. Углерод C содержится в виде цементита (формула Fe₃C), образующегося при остывании расплава. Твердый тугоплавкий материал.

В доэвтектических сплавах – в составе перлита и ледебурита. В эвтектических – в ледебурите. В заэвтектических – первичный цементит и ледебурит.

Применяется в качестве сырья для получения ковкого.

Серый

Также именуется по оттенку на сколе. Содержит фракции графита различной формы. Осаждению углерода способствует добавка кремния.

Свойства и структура сильно зависят от условий остывания после кристаллизации.

Щадящее остывание определяет рост содержания феррита. Сплава железа с оксидами, в основном с Fe₂O₃. Улучшится пластичность. Поэтому режимы подбирают исходя из требуемых параметров.

Серый чугун удобен для литых конструкций. Отличается невысокой температурой отвердения, хорошей жидкотекучестью. Не склонен к образованию раковин.

При всем этом, углеродные вкрапления обуславливают низкую трещиностойкость. Материал уверенно воспринимает сжимающие усилия, но совершенно непригоден при растяжении/изгибе.

В маркировке указываются символы СЧ и предельная прочность в кг/мм 2 : СЧ25. Наиболее распространены чугуны с содержанием C ниже 3,7%.

Ковкий

По форме включения углерода не похожи на аналогичные в сером чугуне. Этим объясняется появление некоторой стойкости к разрыву и ударной вязкости.

Высокопрочный

Вид серого чугуна, только графитовые образования по форме напоминают шарики. Округлость включений делает кристаллическую решетку не склонной к образованию трещин.

В результате ценные изначально свойства чугунов (стойкость к сжатию, удобство литья и т. д.) дополняются сравнимым со сталями пределом текучести при растяжении, появляется трещиностойкость, пластичность.

Передельный

Используется как сырье для выплавки стали. Часто даже не покидает предприятия, где сделан.

Специальные

Выпуск таких марок невелик, до 2% от общего объема. Могут содержать значительное количество легирующих элементов. Предназначены для ограниченных целей и специфических условий. Распространены коррозионно и химически стойкие ферросплавы.

Одна из разновидностей – антифрикционный чугун. Используется для изготовления трущихся деталей. Легируется в первую очередь хромом. Также добавляются никель, титан, медь и прочие.

Отличается высокой твердостью (до HB 300) и низким коэффициентом трения (до 0,8 при отсутствии смазывающих эмульсий).

Базовые материалы: серый, ковкий и высокопрочный чугуны. Маркировки соответственно – АЧС, АЧК, АЧВ. Цифровые составляющие описаны выше.

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.

Превосходные литейные качества. Расплав текуч. С низкой усадкой при кристаллизации, что минимизирует дефекты. Относительно низкая температура плавления.

Изделия прочны, с твердой поверхностью, износостойки.

Используемые в машиностроении составы поддаются обработке резанием.

Долговечны. В том числе в сантехнических, канализационных деталях.

Ставшие ненужными элементы легко утилизировать. Любой пункт приема с руками оторвет.

Из-за высокого содержания углерода хрупок. Мало пригоден для обработки давлением. Из отдельных марок получают кованые изделия отменного качества. Но это скорее работа штучная и в индустриальных масштабах нерентабельная.

Сварка допускается только в крайних случаях. Технология довольно сложна, велик риск возникновения дефектов.

Изделия всегда массивны. Не получится тонкостенная конструкция, так как не выдержит собственного веса и изготовить не удастся.

Легко окисляется во влажной среде. Насквозь не проржавеет из-за неизбежной монументальности, но вид приобретет неопрятный. Детали, расположенные на открытом воздухе, нуждаются в коррозионно стойком покрытии.

Производство чугуна

Зачатки черной металлургии человек освоили уже во II-ом тысячелетии до н. э. Для получения стали. Но доменные печи появились в Европе только в XIV - XV веках. Чугун был получен как побочный ненужный продукт.

Оценили, когда обратили внимание на выдающиеся литейные качества. Удобен для изготовления пушек-ядер, да и сталь из него получать удобнее.

До России технология осмысленно дошла в XVII веке. Случилось это при Петре I, когда искали материал для оружия.

В качестве сырья обычно используются железняки. Наибольший выход получается из магнитного и красного, обильно содержащие Fe.

Для поддержания температуры используется кокс. Воздух для горения подается принудительно. Флюс (известняк) предназначен для снабжения углекислым газом. Основная реакция:

Восстановленное Fe опускается в горн, где насыщается углеродом. Цикл работы печи – непрерывный.

Получение стали

Порядка 85% чугуна уходит на дальнейшее изготовление стали. Для выплавки используется мартеновская печь.

В процессе плавления загруженного сырья образуется значительная масса оксида FeO. По мере разогрева происходит реакция:

Лишний углерод удаляется.

Также используются электродуговые и индукционные печи.

Области применения

В связи с современной тенденцией максимального облегчения оборудования, чугун используют все меньше.

Но есть области, где он пока незаменим и рентабелен:

В машиностроении применяется для крупных корпусных деталей с незначительными нагрузками на растяжение. Станины для станкового оборудования, блоки цилиндров для двигателей внутреннего сгорания. Маховики, шкивы, шестерни, гидроцилиндры, корпуса редукторов, электродвигателей, поршни.

Чугун – название сплава железа с углеродом (2,14-6,67%), являющегося сырьем для изготовления различный изделий и выплавки стали и обладающего отличными литейными свойствами. Добывается он из железной руды посредством восстановления железа и превращения его в чугун.

Свойства этого материала зависят не только от углерода, но и от других примесей: серы, фосфора, марганца и кремния. Хотя углерод – это основной компонент, влияющий на получение того или иного сорта чугуна:

Ковкий. Метод его получения: длительный нагрев (отжиг) отливок из белого чугуна. Маркировка такая же, как и у высокопрочного сорта. Названием сорта говорит о его пластичности, так как изделия из такого чугуна отливаются.
Белый. Это сорт, обладающий повышенной твердостью и прочностью. Плохо поддается резке, очень хрупок. Используется для получения ковкого чугуна или стали.
Серый. Сплав на основе железа с частичным или полным включением структурно-свободного графита. В зависимости от этого он может быть перлитным, феррито-перлитным и ферритным.
Высокопрочный. Этот сорт включает шаровидный графит и является перспективным материалом для производства ответственных деталей, позволяющим снизить толщину и вес отливаемых конструкций при одновременном увеличении их надежности. Благодаря высоким жидкотекучим свойствам, он может использоваться для производства деталей сложной формы, поддающихся всем видам упрочняющей термообработки, применяющимся для стали.

Сферы применения чугуна достаточно разнообразны. Например, серые сорта используются для изготовления различных колонн, опорных и фундаментальных плит, канализационных деталей. Высокопрочные и ковкие используются в качестве фундаментов под тяжелое оборудование, опор ж/д и автомобильных мостов и пр.

Классификация чугунов такова - существуют: передельный, белый, серый, ковкий, высокопрочный чугун. Преимущества и недостатки чугуна в применении, а также правила и особенности сваривания чугуна.

Чугун – это железоуглеродистый сплав, в котором содержание углерода составляет более 2,14%. В нем также могут присутствовать постоянные примеси, а иногда и легирующие компоненты. Его механические свойства зависят от структуры и главным образом от формы, в которой находится углерод, а основными структурными составляющими являются цементит или графит и продукты распада аустенита, которые в зависимости от скорости охлаждения могут быть мартенситом, трооститом, сорбитом, перлитом и ферритом. Введение различных легирующих элементов позволяет управлять процессом графитизации и по-разному корректировать свойства чугуна.

Чугун: краткая справка

Сталь и чугун – это общепринятые технические термины для обозначения сплавов железа и углерода. Содержание углерода в чугуне от 2,14% и до 6,67%, остальное – железо, примеси и легирующие добавки. Углерод может быть в виде графитовых или цементитных (Fe₃C – цементит, карбид железа) включений. Основные примеси - кремний, сера, марганец и фосфор. Чугун применяется в литейном производстве, а также в качестве сырья используется для выплавки стали.

Особенности и классификация чугунов

сера – 0,02-0,2%;
кремний – 0,5-3,6%;
марганец – 0,2-1,5%;
фосфор – 0,04-1,5%.

Основные различия между сталью и чугуном

Основное, чем отличается чугун от стали – это доля углерода в их составе (у стали она находится в диапазоне от 0,025% до 2,14%, у чугуна – свыше 2,14%) и содержание примесей (в чугуне их больше). Это формирует температуру плавления сплавов. Если у чугунов она составляет 1150−1250 градусов, то у сталей этот показатель достигает 1500°С.

По внешнему виду сталь будет более светлой, а серые чугуны имеют темный и матовый оттенок. Сталь легче сваривается и куется, но хуже поддается литью. У чугунного продукта теплопроводность несколько выше, чем у стального.

Производство чугунных отливок

Виды чугунов и их применение

Передельный чугун

Этот сплав выплавляется в доменных печах и предназначен для дальнейшего передела в сталь или изготовления отливок. Может использоваться как в жидком, так и в твердом состоянии. В передельных чугунах строго контролируется содержание кремния, марганца, серы и фосфора. Основной стандарт, оговаривающий требования к данной продукции – ГОСТ 805. В зависимости от содержания кремния и назначения различают следующие виды передельных чугунов:

передельный чугун для сталеплавильного производства марок П1, П2; передельный чугун для литейного производства марок ПЛ1, ПЛ2;
передельный фосфористый чугун ПФ1, ПФ2, ПФ3;
передельный высококачественный чугун ПВК1, ПВК2, ПВК3.

Белый чугун

В нем весь углерод находится в виде цементита. Структура формируется при высокой скорости охлаждения. Отличительная особенность такого вида чугуна – белый отлив в месте излома, а также высокие хрупкость и твердость (НВ 450-550). Продукт практически не поддается механической обработке режущим инструментом. Такие сплавы используют для изготовления литых износостойких деталей (мелющие шары, лопасти шнеков, лопатки дробеметных турбин, прокатные валки), а также в качестве основы при производстве ковких разновидностей чугуна. Износостойкость чугуна увеличивают путем легирования молибденом, никелем, марганцем и другими элементами.

Серый чугун

В серых чугунах углерод представлен пластинчатым графитом. Находится он в свободном виде, благодаря чему излом имеет характерный серый цвет. Такой сплав сравнительно хорошо поддается механической обработке, имеет относительно невысокую прочность и низкую пластичность при растяжении. При этом, благодаря наличию пластинчатого графита, серый чугун обладает хорошими антифрикционными и демпфирующими свойствами, малой чувствительностью к концентраторам напряжения. Внутренняя структура формируется при низких темпах охлаждения.

Серый чугун имеет хорошую жидкотекучесть, мало склонен к образованию усадочных дефектов по сравнению с другими видами чугуна, поэтому его широко используют для изготовления отливок сложной формы с толщиной стенок вплоть до 500 мм.

Маркировка определена ГОСТ 1412 и обозначает перечень марок от СЧ 10 до СЧ 35.

Буквы СЧ – серый чугун;
цифры – сведения о временном сопротивлении при растяжении (МПа/10).

Высокопрочный (модифицированный) чугун

Особенность этого сплава, получаемого путем добавления в расплав чугуна чистого магния (Mg), аего соединений или других модификаторов-сфероидизаторов(церия, иттрия и пр.), в том, что графит в таком чугуне имеет шаровидную форму. Количество модифицирующего компонента, того же магния, составляет 0,02–0,08%.

Свойства чугуна с шаровидным графитом определяет в основном металлическая основа (в отличие от серого чугуна с пластинчатыми графитными включениями). Такой высокопрочный сплав используют при производстве износостойких деталей ответственного назначения, выдерживающих большие статические, циклические и ударные нагрузки в условиях износа, в том числе в агрессивных средах и при высоких температурах.

Ковкий чугун и его маркировка

В зависимости от химического состава чугуна и режимов отжига можно получать различную основу – ферритную, перлитную или ферритоперлитную. Различают также две разновидности ковкого металла — черносердечный и белосердечный. Основные параметры такой продукции регламентированы ГОСТ 1215.

Емко и точно характеризует ковкий чугун маркировка, которая содержит не только его обозначение (КЧ), но и основные механические свойства – минимальное временное сопротивление и относительное удлинение Например, буквенно-цифровой код КЧ 33-8 обозначает, что у ковкого чугуна данной марки минимальное временное сопротивление 37 кгс/мм 2 (или 323 МПа), а показатель относительного удлинения – не менее 8%.

Специальные чугуны

Существуют марки сплавов со специальными характеристиками, которые достигаются путем легирования, применения специальной технологии отжига и охлаждения. К таким чугунам относятся:

жаростойкие;
коррозионностойкие;
художественные;
антифрикционные и износостойкие;
чугуны с особыми электромагнитными свойствами; ферросплавы и другие.

Технические условия на легированные специальные чугуны регламентируют стандарты ДСТУ 8851, ГОСТ 7769, ISO 2892 и другие. В них указывается из чего состоит чугун для различных особых применений, какими механическими свойствами он должен обладать и каким образом необходимо его маркировать.

Как специальные примеси сказываются на структуре чугуна?

При производстве отдельных сплавов добавление специальных присадок в чугун меняет его состав и свойства.

Кремний является самым важным легирующим элементом в чугуне, который вместе с углеродом влияет на структуру и свойства. Кремний позитивно влияет на выделение графита, улучшает литейные характеристики сплава.
Сера уменьшает способность жидкого чугуна заполнять литейные формы, снижает его механические свойства и придает красноломкость.
Марганец негативно сказывается на литейных свойствах, противодействует графитизации, но увеличивает твердость и прочность.
Фосфор необходим при изготовлении чугунных отливок сложной формы, в том числе тонкостенных, поскольку способствует повышению жидкотекучести сплава. Но при этом теряется прочность, возрастает хрупкость.

Добиться специфических свойств позволяют и другие легирующие добавки, вводимые на этапе выплавки материала. Получается измененная характеристика чугуна с улучшенными износо- или жаростойкостью, коррозийной прочностью или электропроводностью.

Достоинства и недостатки

Первые обнаруженные грубые чугунные отливки датируются серединой XIV столетия. С тех пор существенно изменились технологии, расширилось и применение чугуна. Объективно оценивая этот продукт черной металлургии, нужно назвать как его положительные, так и отрицательные стороны.

Бесспорные преимущества

В первую очередь это экологичность и отменные гигиенические качества. Та же чугунная посуда не разрушается в кислотно-щелочных растворах, хорошо моется и прогревается, долго сохраняя аккумулированное тепло. Следует отметить долговечность и широкую линейку ассортимента, экономичность и относительную несложный процесс производства чугунных изделий.

Варьируя состояние нахождения углерода в сплаве, можно получить белый или серый чугун. Широкий спектр применения объясняется легкой обработкой (ковкой), высокой теплоотдачей и прочностью.

Недостатки чугуна, как материала

Самыми слабыми сторонами сплавов считаются хрупкость и подверженность ржавлению даже при кратковременном взаимодействии с водой. К тому же изделия из чугуна отличаются большим весом и специфическим набором физико-механических характеристик, требующих особых условий для их транспортировки, сборки и обслуживания.

Как делают чугун?

Сплав выплавляется в доменных печах и вагранках. Основным источником железа служит железорудное сырье – продукт обогащения руды. Применяется топливо – кокс (продукт специальной обработки каменного угля), природный газ, пылеугольное топливо. Высокотемпературная технология плавки чугуна в шахтной печи позволяет запускать восстановительные химические процессы и выделять железо из оксидов.

В результате доменной плавки получается сплав железа и углерода – чугун, а также шлак, содержащий невосстановленные окислы, остатки флюсов, золы топлива и пр.

Пригодность чугунов к сварочным работам

Соединение чугунных деталей при помощи сварки как никогда актуально и требует серьезного подхода. В технологическом аспекте пригодность металла низкая. На это существует ряд причин, и основная из них – очень высокое содержание углерода и примесей. Кроме того, трудно сформировать сварной шов из-за жидкотекучести материала. Возможны непровары – результат образование тугоплавких оксидов в процессе окисления кремния, других компонентов сплава. Интенсивное выделение газа приводит к образованию в шве пор.

Применение чугуна для сваривания с металлами, отличающимися скоростью охлаждения/нагрева приводит к трещинообразованию на сварном шве и его хрупкости. Поэтому, для сварки прибегают к использованию покрытых или угольных электродов, порошковой проволоки, установок газовой сварки. Избежать образования закаленных участков помогает предварительный прогрев свариваемых деталей и правильный выбор режима сварки.

Объемы производства чугуна

Первое место в мире по производству чугуна вот уже несколько лет подряд прочно удерживает Китайская Народная Республика. За первые два месяца 2019 году китайские компании увеличили объемы его выплавки до 126, 59 млн. тонн. Таким образом, более половины мировых объемов чугуна сегодня выплавляется в Поднебесной.

Объемы мирового производства чугуна, тыс. тонн

Кроме Китая, в рейтинг ведущих производителей чугуна входят Индия, Япония, РФ, Южная Корея, Иран, Бразилия, Германия и США. А замыкает ТОП-10 Украина, что стало возможным благодаря стабильной деятельности предприятий Группы Метинвест.

Читайте также: