Как получить чугун

Понятие чугуна, его особенности и нюансы использования

Чугун прочно вошел в нашу жизнь много лет назад. Он относительно легко производится и широко применяется в различных областях. Чтобы иметь четкое представление об этом материале необходимо знать его особенности, минусы, плюсы, химический состав, свойства, структуру чугуна и его сплавов, их производство и область применения.

Что такое чугун

Итак, давайте узнаем, какие железоуглеродистые сплавы называют чугунами.

Понятие

Чугуном называется железоуглеродистый сплав с содержанием углерода, то есть под ним понимается материал, который состоит из сплава железа и углерода. Процентное содержание углерода в чугуне составляет более 2,14%. Последний элемент может входить в чугун в виде графита или цементита.

Данное видео рассказывает об особенностях чугуна:

Разновидности

Различают белый и серый чугун.

• Углерод в белом чугуне представлен в виде карбида железа. Если переломить его, то можно увидеть белый отлив. В чистом виде белый чугун не используют. Его добавляют к процессу производства ковкого чугуна.
• На изломе серый чугун имеет серебристый отлив. У этого вида чугуна большая сфера использования. Он хорошо поддается обработке резцами.

Кроме этого, чугуны бывают высокопрочные, ковкие и со специальными свойствами.

• Высокопрочный чугун используют в целях повышения прочности изделия. Механические свойства такого чугуна позволяют это сделать на отлично. Высокопрочный чугун получают из серого в результате добавление к массе примеси магния.
• Ковкий чугун — это разновидность серого. Название не означает, что этот чугун легко подвергают ковке. Он обладает повышенными свойствами пластичности. Его получают помощью отжига из белого чугуна.
• Различают так же половинчатый чугун. В нем некоторая часть углерода находится виде графита, а оставшиеся часть в форме цементита.

Особенные черты

Особенность чугуна кроется в процессе его производства. Средняя температура плавления разных видов чугуна составляет 1200ºС. Это значение на 300 градусов меньше, чем у стали. Связано это с очень высоким содержанием углерода. Углерод и атомы железа имеют между собой не очень тесную связь.

Когда идет процесс выплавки, углерод не может полностью внедриться в решетку железа. В результате чугун принимает свойство хрупкости. Его нельзя использовать для изготовления деталей, на которых будет постоянно действовать нагрузка.

Чугун относится к материалам черной металлургии. Его характеристики часто сравнивают со сталью. Изделия из стали или чугуна широко используются в нашей жизни. Их применение является оправданным. Проведя сравнение характеристик, можно сказать следующее об этих двух материалах:

• Стоимость чугунных изделий ниже стоимости стальных.
• Материалы отличаются по цвету. Чугун – это темный матовый материал, а сталь – светлый и блестящий.
• Чугун легче, чем сталь поддается литью. Но сталь легче сваривается и куется.
• Чугун менее прочный, чем сталь.
• По весу чугун легче стали.
• В стали содержание углерода, выше чем в стали.

Плюсы и минусы

Чугун, как и любой материал, имеет положительные и отрицательные стороны.

К плюсам чугуна относят:

• Углерод в чугуне может находиться в разном состоянии. Поэтому этот материал может быть двух видов (серый и белый).
• Определенные виды чугуна обладают повышенной прочностью, поэтому чугун иногда ставят на одну линию со сталью.
• Чугун может достаточно долго сохранять температуру. То есть при нагреве тепло равномерно распределяется по материалу и остается в нем длительное время.
• По экологичности чугун является чистым материалом. Поэтому его часто используют для изготовления посуды, в которой впоследствии готовится пища.
• Чугун стоек в кислотно-щелочной среде.
• Чугун обладает хорошей гигиеничностью.
• Материал отличается достаточно долгим сроком службы. Замечено, что чем продолжительнее используется чугун, тем его качество лучше.
• Чугун – долговечный материал.
• Чугун – это безвредный материал. Он не способен нанести организму даже маленького вреда.

К минусам чугуна относят:

• Чугун покроется ржавчиной, если на нем непродолжительное время будет находиться вода.
• Чугун – дорогостоящий материал. Однако этот минус оправдан. Чугун очень качественный, практичный и надежный. Предметы, изготовленные из него, так же получаются качественными и долговечными.
• Для серого чугуна характерна маленькая пластичность.
• Для белого чугуна характерна хрупкость. Он в основном идет на переплавку.

Свойства и характеристики

1. Физическими. К этим характеристикам относятся: удельный вес, коэффициент линейного расширения, действительная усадка. Удельный вес меняется в зависимости от содержания в материале углерода.
2. Тепловыми. Теплопроводность материала принята рассчитывать по правилу смещения. Для твердого чугуна объемная теплоемкость равна 1 кал/см 3* о С. Если чугун жидкий, то она равна примерно 1,5 кал/см 3 * о С.
3. Механическими. Эти свойства зависят от самой основы, а так же от размеров и формы графита. Самым прочным считается серый чугун с перлитной основой, а самым пластичным — с ферритной основой. Максимальное снижение прочности наблюдается при форме графита «пластинка», а минимальное – при форме «шар».
4. Гидродинамическими. Вязкость в чугуне меняется в зависимости от наличия марганца и серы. Так же она резко возрастает когда температура чугуна переходит точку начала затвердевания.
5. Технологическими. Чугун обладает отличными литейными свойствами, стойкости к износу и вибрации.
6. Химическими. По электродному потенциалу (по мере убывания) структурные составляющие чугуна располагаются в следующем виде: цементит — фосфидная эвтектика — феррит.

Отличия чугуна от стали по химическому составу и свойствам

На свойства чугуна влияют специальные примеси.

• Так добавление серы позволяет существенно уменьшить жидкотекучесть и снизить тугоплавкость.
• Добавление фосфора одновременно дает возможность создать изделие сложной формы, но не дает ему повышенной прочности.
• Примесь в виде кремния делает температуру плавления не такой высокой и значительно улучшает свойства литья. Различное процентное содержания кремния позволяет создать разный чугун: от чисто-белого до ферритного.
• Марганец ухудшает литейные и технологические свойства, но повышает прочность и твердость.

Далее вы узнаете, какие элементы входят в хим.состав чугуна.

О том, как сварить чугун электросваркой, расскажет видеоролик ниже:

Структура и состав

Если рассматривать чугун как структурный материал, то он представляет собой металлическую полость с графитными включениями. Структура чугуна это в основном перлит, ледебурит и пластичный графит. При этом у каждого вида чугуна эти элементы преобладают в разных пропорциях или отсутствуют совсем.

По структуре чугуны бывают:

• перлитные,
• ферритные и
• ферритно-перлитный.

Графит присутствует в этом материале в одной из форм:

• Шаровидная. Графит приобретает такую форму при добавлении присадки магния. Шаровидная форма графита характерна для высокопрочных чугунов.
• Пластичная. Графит похож на форму лепестков. В такой виде графит присутствует в обычном чугуне. Этот чугун обладает повышенными свойствами пластичности.
• Хлопьевидный. Графит приобретает такую форму в результате отжига белого чугуна. Графит в хлопьевидном виде находится у ковкого чугуна.
• Вермикулярный. Графит названной форма находится у серого чугуна. Она была разработана специально для улучшения пластичных и прочих свойств.

Производство металла

Чугун производят в специальных доменных печах. Основное сырье для получения чугуна – это железная руда. Технологический процесс заключается в восстановлении оксидов железа руды и получении на выходе другого материала – чугуна. Для изготовления чугуна используются следующее топливо: кокс, природный газ и термоантрацит.

После восстановления руды железо имеет твердую форму. Далее его опускают в специальную часть печи (распар), где происходит растворение в железе углерода. На выходе получается жидкий чугун, который опускается в нижнюю часть печи.

Цена на чугун (за 1 кг) зависит от количества углерода в нем, от наличия дополнительных примесей и легирующих компонентов. Примерно цена тонны чугуна будет составлять 8000 рублей.

Области применения

Чугун распространен во многих сферах.

• Его используют для производства деталей в машиностроении. В основном из чугуна делают блоки для двигателей и коленчатые валы. Для последних требуется усовершенственный чугун, в который добавляют специальные добавки из графита. Благодаря устойчивости чугуна к трению из него делают тормозные колодки отличного качества.
• Чугун может бесперебойно работать даже при сильно низких температурах. Поэтому его часто используют в производстве деталей машин, которым придется работать в жестких климатических условиях.
• Хорошо зарекомендовал себя чугун в металлургической области. Его ценят за относительно небольшую цену и отличные литейные свойства. Изготовленные из чугуна изделия характеризуются отличной прочностью и износостойкостью.
• Из чугуна делают большое множество сантехнических изделий. К ним можно отнести раковины, батареи, мойки и различные трубы. Особо славятся чугунные ванны и радиаторы отопления. Некоторые из них служат в квартирах по настоящее время, хотя приобретены были много лет назад. Чугунные изделия сохраняют свой первоначальный вид и не нуждаются в реставрации.
• Благодаря хорошим литейным свойствам из чугуна получают настоящие произведения искусства. Его часто применяют в изготовлении художественных изделий. Например, таких как красивые ажурные ворота или памятники архитектуры.

Выбираете ванну? Не знаете, что лучше, чугунная или стальная? Тогда это видео поможет вам:

Что такое чугун? Свойства, состав, получение и применение

Многие знают о таком материале как чугун и его прочностных характеристиках. Сегодня мы с вами углубим эти знания и выясним, что такое чугун, из чего он состоит, каких видов бывает и как производится.

Состав

Что такое чугун? Это сплав из железа, углерода и разнообразных примесей, благодаря которым он обретает необходимые свойства. Материал должен иметь в своем составе не менее 2,14% углерода. В противном случае, это будет сталь, а не чугун. Именно благодаря углероду чугун обладает повышенной твердостью. Вместе с тем, данный элемент снижает пластичность и ковкость материала, придавая ему хрупкость.

Кроме углерода, в состав чугуна в обязательном порядке входят: марганец, кремний, фосфор и сера. В некоторые марки также вносят дополнительные присадки, для придания материалу специфических свойств. Среди часто используемых легирующих элементов можно отметить: хром, ванадий, никель и алюминий.

Свойства чугуна

Материал имеет плотность 7,2 г/см 3 . Для металлов и их сплавов это достаточно высокий показатель. Чугун хорошо подходит для производства всяческих изделий путем литья. В этом плане он превосходит все сплавы железа кроме некоторых марок стали.

Температура плавления чугуна равна 1200 градусам. У стали данный показатель выше на 250-300 градусов. Причина тому кроется в повышенном содержании в чугуне углерода, которое обуславливает менее тесные связи между атомами железа. Во время выплавки чугуна и его последующей кристаллизации, углерод в полной мере не успевает внедриться в структуру железа. Поэтому материал получается хрупким. Структура чугуна не позволяет использовать его для производства продукции, которая постоянно подвержена динамическим нагрузкам. А вот для чего чугун подходит идеально, так это для деталей, которые должны обладать повышенной прочностью.

Получение

Получение чугуна – весьма затратный и материалоемкий процесс. Чтобы получить одну тонну сплава, необходимо 550 кг кокса и 900 л воды. Что касается руды, то ее количество зависит от содержания в ней железа. Как правило, используется руда с массовой долей железа не менее 70%. Обработка менее богатых руд нецелесообразна с экономической точки зрения.

Прежде чем отправиться на переплавку, материал обогащается. Производство чугуна в 98% случае происходит в доменных печах.

Технологический процесс включает в себя несколько этапов. Сначала в доменную печь загружается руда, в состав которой входит магнитный железняк (соединение двух- и трехвалентного оксида железа). Также могут использоваться руды, в которых содержатся водная окись железа или его солей. Кроме сырья, в печь кладут коксующиеся угли, необходимые для создания и поддержания высокой температуры. Продукты горения углей как восстановители железа также участвуют в химических реакциях.

Дополнительно в топку подается флюс, играющий роль катализатора. Он ускоряет процесс плавления пород и освобождения железа. Важно отметить, что прежде чем попасть в топку, руда должна пройти специальную обработку. Так как мелкие части лучше плавятся, ее предварительно измельчают на дробильной установке. Затем руду промывают, чтобы избавиться от примесей, не содержащих металла. Затем сырье высушивается и проходит обжиг в печах. Благодаря обжигу из него удаляется сера и прочие чужеродные элементы.

После полной загрузки печи начинается второй этап производства. Когда горелки запущены, кокс постепенно разогревает сырье. При этом выделяется углерод, который реагирует с кислородом и образует оксид. Последний принимает активное участие в восстановлении железа из находящихся в руде соединений. Чем больше газа накапливается в печи, тем медленнее протекает реакция. Когда нужная пропорция достигнута, реакция и вовсе останавливается. Избыток газов в дальнейшем служит топливом для поддержания необходимой температуры в печи. У этого метода есть несколько сильных сторон. Во-первых, он позволяет снизить затраты горючего, что удешевляет производственный процесс. И, во-вторых, продукты горения не попадают в атмосферу, загрязняя ее, а продолжают участвовать в производстве.

Избыток углерода перемешивается с расплавом и поглощается железом. Так и получается чугун. Примеси, которые не расплавились, всплывают на поверхность смеси и удаляются. Их называют шлаком. Шлак находит применение в производстве некоторых материалов. Когда из расплава удалены все лишние частицы, в него добавляют специальные присадки.

Разновидности

Что такое чугун и как его получают, мы уже выяснили, теперь разберемся с классификацией этого материала. Описанным выше путем получают передельный и литейный чугун.

Передельный чугун используется в производстве стали по кислородно-конвертерному пути. Этот вид отличается низким содержанием кремния и марганца в сплаве. Литейный чугун применяют в производстве всяческой продукции. Он делится на пять видов, каждый из которых рассмотрим отдельно.

Белый

Это сплав отличается содержанием избыточной части углерода в виде карбида или цементита. Название этому виду было дано за белый цвет в месте разлома. Содержание углерода в таком чугуне обычно превышает 3%. Белый чугун отличается высокой хрупкостью и ломкостью, поэтому его применяют ограниченно. Данный вид используют для производства деталей простой конфигурации, которые выполняют статические функции и не несут больших нагрузок.

Благодаря добавлению в состав белого чугуна легирующих присадок, можно повысить технические параметры материала. С этой целью чаще всего используют хром или никель, реже – ванадий или алюминий. Марка с подобного рода присадками получила название «сормайт». Она используется в различных устройствах как нагревательный элемент. «Сормайт» обладает высоким удельным сопротивлением, и хорошо работает при температурах не выше 900 градусов. Самое распространенное применение белого чугуна – производство бытовых ванн.

Серый

Это наиболее распространенная разновидность чугуна. Она нашла применение в разных областях народного хозяйства. В сером чугуне углерод представлен в виде перлита, графита или же феррито-перлита. В таком сплаве содержание углерода составляет порядка 2,5%. Как для чугуна, этот материал обладает высокой прочностью, поэтому его используют в производстве деталей, которые получают циклическую нагрузку. Из серого чугуна делают втулки, кронштейны, зубчатые шестеренки и корпуса промышленного оборудования.

Благодаря графиту серый чугун снижает силу трения и улучшает действие смазок. Поэтому детали из серого чугуна имеют высокую стойкость к данному виду износа. При эксплуатации в особо агрессивных средах в материал вводятся дополнительные присадки, позволяющие нивелировать негативное воздействие. К таковым относятся: молибден, никель, хром, бор, медь и сурьма. Эти элементы защищают серый чугун от коррозии. Кроме того, некоторые из них повышают графитизацию свободного углерода в сплаве. Благодаря этому создается защитный барьер, предотвращающий попадание на поверхность чугуна разрушающих элементов.

Половинчатый

Промежуточным материалом между двумя первыми разновидностями является половинчатый чугун. Содержащийся в нем углерод представлен в виде графита и карбида приблизительно в равных долях. Кроме того, в таком сплаве могут присутствовать в незначительных количествах лидебурит (не более 3%) и цементит (не более 1%). Общее содержание углерода в половинчатом чугуне колеблется 3,5 до 4,2%. Данная разновидность применяется для производства деталей, которые эксплуатируются в условиях постоянного трения. К таковым можно отнести автомобильные тормозные колодки, а также валки для измельчительных станков. Для еще большего повышения износостойкости в сплав добавляют всяческие присадки.

Ковкий

Этот сплав представляет собой разновидность белого чугуна, который с целью графитизации свободного углерода подвергается специальному обжигу. По сравнению со сталью, такой чугун имеет улучшенные демпфированные свойства. Кроме того, он не столь чувствителен к надрезам и хорошо работает в условиях низких температур. В таком чугуне массовая доля углерода составляет не более 3,5%. В сплаве он представлен в виде феррита, зернистого перлита, содержащего вкрапления графита или феррито-перлита. Ковкий чугун, как и половинчатый, используют в основном в производстве деталей, эксплуатирующихся в условиях непрерывного трения. Для повышения эксплуатационных характеристик материала в сплав добавляют магний, теллур и бор.

Высокопрочный

Данный вид чугуна получается вследствие образования в металлической решетке включений графита шаровидной формы. Из-за этого металлическая основа кристаллической решетки ослабевает, и сплав обретает улучшенные механические свойства. Образование шаровидного графита происходит благодаря введению в материал магния, иттрия, кальция и церия. Высокопрочный чугун близок по своим параметрам к высокоуглеродистой стали. Он неплохо поддается литью и может полностью заменить стальные детали механизмов. Благодаря высокой теплопроводности данный материал может быть использован для изготовления трубопроводов и отопительных приспособлений.

Трудности промышленности

На сегодняшний день литье чугуна имеет сомнительные перспективы. Дело в том, что из-за высокого уровня затрат и большого количества отходов промышленники все чаще отказываются от чугуна в пользу дешевых заменителей. Благодаря быстрому развитию науки уже давно стало возможным получение более качественных материалов при меньших затратах. Серьезную роль в этом вопросе играет защита окружающей среды, которая не приемлет использование доменных печей. Чтобы полностью перевести выплавку чугуна на электрические печи, нужны годы, если не десятилетия. Почему так долго? Потому что это очень дорого, и далеко не каждое государство может себе это позволить. Поэтому остается лишь ждать, пока наладится массовый выпуск новых сплавов. Конечно же, полностью прекратить промышленное применение чугуна в ближайшее время не получится. Но очевидно, что масштабы его производства будут падать с каждым годом. Эта тенденция началась еще 5-7 лет тому назад.

Заключение

Разобравшись с вопросом: «Что такое чугун?», можно сделать несколько выводов. Во-первых, чугун представляет собой сплав из железа, углерода и присадок. Во-вторых, он имеет шесть видов. В-третьих, чугун весьма полезный и универсальный материал, поэтому долгое время его дорогостоящее производство было целесообразно. В-четвертых, на сегодняшний день чугун уже считается пережитком прошлого, и планомерно уступает свои позиции более надежным и дешевым материалам.

Как получают чугун

Чугу́н — сплав железа с углеродом с содержанием более 2, 14 % ( точка предельной растворимости углерода в аустените на диаграмме состояний ).
Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита и графита.
В зависимости от формы графита и количества цементита, выделяют : бледный, бесцветный, ковкий и высокопрочные чугуны.
Чугуны держат постоянные примеси ( Si, Mn, S, P ), а в отдельных событиях также легирующие элементы ( Cr, Ni, V, Al и др. ).
Обыкновенно, чугун хрупок.

Ковкий чугун получают длительным отжигом белого чугуна, в итоге которого образуется графит хлопьевидной формы.
Металлическая основа такого чугуна : феррит и реже перлит.
Ковкий чугун получил свое название из – за повышенной пластичности и вязкости ( при всем при том, что обработке давлением не подвергается ).
Ковкий чугун обладает повышенной крепостью при растяжении и рослым сопротивлением удару.
Из ковкого чугуна изготовляют детали непростой фигуры : картеры заднего моста машин, тормозные колодки, тройники, угольники и т. д.

Включенная в действие доменная печь функционирует непрерыв­но в течение нескольких лет.
Руду, кокс и флюсы периодически до­бавляют через верхнее отверстие ( колошник ) печи.
Также периоди­чески производится выпуск из нее чугуна и шлака — через любые 4 — 6 ч.
При этом 99 — 99, 8% железа переходит в чугун и только 0, 2 — 1, 0% — в шлак.
Кроме углерода в составе чугуна присутствуют элементы кремния, марганца, серы, фосфора и пр.
По назначению доменные чугуны разделяют на литейный и передельный.
Литейный чугун переплавляют, и из него отливают чугунные изделия.
Из пере­дельного чугуна получают сталь.
Он составляет около 90% всей вы­плавки чугуна.
В нем содержится повышенное количество углерода, 0, 3 — 1, 2% Si, 0, 2 — 1, 0% Mn, 0, 2 — 1, 0% Р, 0, 02 — 0, 07% 5.

Белый Ч. представляет собой сплав, в котором избыточный углерод, не присутствующий в твёрдом растворе железа, присутствует в объединенном состоянии в виде карбидов железа Fe 3 C ( цементит ) или т. н. специальных карбидов ( в легированном Ч.
Кристаллизация белых Ч. происходит по метастабильной системе с образованием цементита и перлита.
Белый Ч. вследствие коротких механических характеристик и хрупкости располагает ограниченное применение для деталей простой конфигурации, действующих в обстановках повышенного абразивного износа.
Легирование белого Ч. карбидообразующими элементами ( Cr, W, Mo и др. ) повышает его износостойкость.

Белый чугун получают путем первичной кристаллизации из редкого сплава при быстрейшем охлаждении.
Представляет собой сплав, в котором избыточный углерод, не присутствующий в твёрдом растворе железа, присутствует в объединенном состоянии в виде карбидов железа Fe3C ( цементит ), который придает чугуну бело – неяркий тон.
Белый чугун обладает высокой твердостью, хрупкостью и дурно обрабатывается, поэтому для изготовления деталей он не используется и применяется как передельный, т.е. идет на производство стали и иных паспортов чугуна.
Половинчатый чугун держит часть углерода в пустом состоянии в виде графита, а часть — в объединенном в виде карбидов.
Применяется в качестве фрикционного материала, действующего в условиях сухого трения ( тормозные колодки ), а также для изготовления деталей повышенной износостойкости ( прокатные, бумагоделательные, мукомольные валки ).

Механические свойства и рекомендуемый химический состав ковкого чугуна регламентирует ГОСТ 1215 – 79.
Ковкие чугуны маркируют буквами « К » – – ковкий, « Ч » _ 效 угун и циферками.
Главная группа цифр показывает предел прочности чугуна при растяжении, другая – – сравнительное его удлинение при разрыве.
Например, КЧ 33 – 8 обозначает : ковкий чугун с лимитом крепости при растяжении 33 кг/мм 2 ( 330 МПа ) и относительным удлинением при разрыве 8 %.

В итоге длительной продувки воздухом из кусков руды получались почти без примесей кусочки настоящего железа, которые сваривались между собой кузнечным способом в зону, которые далее использовались для производства необходимых человеку изделий.
Это технически чистое железо держало весьма немного углерода и немного примесей ( настоящий древесный уголек и хорошая руда ), поэтому оно хорошо ковалось и сваривалось и практически не корродировало.
Процесс выступал при относительно низкой температуре ( до 1100…1350 ° С ), м еталл не плавился, т. е. восстановление металла выступало в решительной фазе.
В итоге получалось ковкое ( рев ) железо.
Просуществовал этот способ до XIV века, а в несколько усовершенствованном облике до начала XX века, но был помалу вытеснен кричным переделом.

Серый чугун — наиболее широко применяемый вид чугуна ( машиностроение, сантехника, строительные конструкции ) — имеет включения графита пластинчатой формы.
Для подробностей из серого чугуна характерны небольшая чувствительность к действию внешних концентраторов напряжений при циклических нагружениях и более высокий коэффициент поглощения колебаний при вибрациях подробностей ( в 2 – 4 раза выше, чем у стали ).
Важная конструкционная особенность серого чугуна — выше, чем у стали, отношение предела текучести к пределу прочности на растяжение.
Наличие графита улучшает условия смазки при трении, что повышает антифрикционные свойства чугуна.
Свойства серого чугуна зависят от структуры металлической основы, фигуры, величины, числа и характера распределения включений графита.
Перлитный серый чугун имеет высокие прочностные свойства и применяется для цилиндров, втулок и др. нагруженных деталей двигателей, лафетов и т.д.
Для менее ответственных деталей используют серый чугун с ферритно – перлитной металлической основой.

Структура отливок определяется химическим составом чугуна и технологическими особенностями его термообработки.
Механические свойства серого чугуна зависят от свойств металлической матрицы, фигуры и размеров графитовых включений.
Свойства металлической матрицы чугунов близки к свойствам стали.
, который нельзя отменить невысокую прочность, снижает прочность чугуна.
Чем меньше графитовых включений и выше их дисперсность, тем больше прочность чугуна.
Графитовые включения вызывают сокращение предела прочности чугуна при растяжении.
На крепость при сжатии и твердость чугуна частицы графита почти не оказывают воздействия.
Свойство графита образовывать смазочные пленки обусловливает падение коэффициента трения и увеличение износостойкости изделий из серого чугуна.
Графит улучшает обрабатываемость резанием.

Великое значение для практики имеет свойство модификации γ – Fе растворять до 2, 14% углерода при температуре 1147°С с образо­ванием твердого раствора и с внедрением атомов углерода в крис­таллическую решетку.
При повышении и снижении температуры растворимость углерода в модификации γ – Fе уменьшается.
Крепкий раствор углерода и прочих элементов ( азот, водород ) в модифика­ции γ – Fе называется аустенитом ( по имени ученого Р. Аустена ), почти в 100 раз меньше углерода может открыться в модифика­ции α – Fе, причем крепкие растворы углерода и прочих элементов в модификации α – Fе называют ферритом.

Химический состав и свойства высокопрочных чугунов регламентируются ГОСТ 7293 – 85 и маркируются буквами « В » – – высокопрочный, « Ч » – – чугун и количеством, означающим обыкновенное значение предела прочности чугуна при растяжении.
Например, ВЧ 100 – – высокопрочный чугун, лимит крепости при растяжении 1000 МПа ( или 100 кг/мм 2 ).

Как получают чугун? Сплав железа с каким веществом позволяет получить чугун?

Чугун — широко используемый в разных отраслях промышленности металл, отличающийся замечательными эксплуатационными характеристиками. Процесс его получения относительно несложен и слишком много шагов в себя не включает. Выплавляют этот материал в домнах – особых печах, представляющих собой нечто вроде увеличенной копии пробирки. О том, как получают чугун, и поговорим далее во всех подробностях.

Горно-обогатительные комбинаты

Основным сырьем, используемым при производстве чугуна, является железная руда. Добывают ее в карьерах в разных местах нашей страны. Как известно, добытая руда содержит большое количество разного рода примесей. Использовать ее для плавки чугуна в таком “сыром” виде, конечно же, нельзя. Поэтому на первом этапе она поступает на специальные предприятия — горно-обогатительные комбинаты. Здесь из нее удаляют пустые породы и дробят. Затем уже чистую руду грузят в вагоны составов и отправляют на металлургические комбинаты.

Процесс агломерации

Собственно, как получают чугун, рассмотрим чуть ниже. Сейчас же поговорим о том, как подготавливается руда для его выплавки непосредственно на металлургических производствах.

Если для переплавки будет использован обычный дробленый материал, производительность доменной печи резко упадет. Дело в том, что такая шихта имеет низкую степень газопроницаемости. Поэтому перед загрузкой в домну руда в обязательном порядке проходит процесс агломерации.

Выполняется эта процедура в специализированных цехах металлургических комбинатов и представляет собой процесс спекания породы в куски определенного, наиболее подходящего для выплавки чугуна размера. Происходит слипание при высокой температуре, достаточной для легкого расплавления поверхности частиц шихты. В результате последние просто-напросто склеиваются друг с другом, образуя куски. При этом предварительно руда смешивается с углем. В результате горения последнего и достигается необходимая для получения кусков температура. Стимулируется процесс агломерации путем пропускания через слой руды с углем потоков воздуха (сверху вниз).

Для получения агломерата может использоваться не только руда. Иногда его делают также из небольших кусков железа. Его сплав с каким веществом позволяет получить чугун, будет рассмотрено ниже. Конечно же, для производства этого металла используется не железо в чушках. Переплавляют на чугун обычный металлолом.

Что происходит в печи

Итак, давайте посмотрим, как получают чугун в домне. Изнутри печь такой конструкции облицована кирпичом. Принцип ее работы относительно прост. При производстве чугуна, помимо агломерата, используются кокс, известь и флюс. Смесь из этих материалов готовится в определенной пропорции. Она то и называется доменной шихтой. Ее насыпают в специальные подъемники и поднимают на самый верх печи.

Для того чтобы кокс загорелся, необходимо большое количество воздуха, обогащенного кислородом. Он подается в доменную печь снизу, через специальные отверстия, называемые фурменными. Вдувается он в печь под очень большим давлением. Это необходимо для того, чтобы воздух проник через пласт подаваемой сверху шихты. При этом предварительно поток подогревается до 600-800 градусов, иначе температура внутри печи снизится.

Полученный при расправлении шихты чугун стекает вниз и с периодичностью примерно один раз в 40 мин выпускается наружу через специальное отверстие, называемое леткой. Далее он переливается в чаши большой емкости и перевозится в сталеплавильные цеха.

Восстановление и науглероживание железа в печи

Все домны работают по принципу противотока. При этом в них поочередно происходят следующие химические процессы:

1. Восстановление железа. Происходит этот процесс последовательно и выглядит так: Fe₂O₃ – Fe₃O₄ – FeO – Fe. В качестве восстановителя в данном случае выступает оксид углерода (CO), образующийся при взаимодействии CO₂ с раскаленным коксом, а также твердый углерод последнего.
2. Науглероживание железа. Реакция в данном случае выглядит так: 3Fe + 2CO = Fe₃C + CO₂ + Q. Карбид Fe₃C легко смешивается с твердым железом, в результате чего и образуется сплав последнего с углеродом. Стекая вниз, он омывает куски кокса и науглероживается еще больше. Помимо этого, в нем растворяются такие вещества, как марганец, сера, кремний и т. д.

Таким образом, становится понятно, доменный металл — это сплав железа с каким веществом. Получить чугун можно просто путем науглероживания расплава шихты.

Восстановление других элементов

Mn, кремний, сера и фосфор попадают в доменную печь вместе с шихтой в виде различных химических соединений. Высшие оксиды марганца восстанавливаются до MnO примерно по тому же принципу, что и железо: MnO₂ – Mn₂O₃ – Mn₃O₄ – MnO. Чистый марганец выделяется так: MnO + C = Mn + CO – Q. Кремний попадает в печь в виде кремнезема SiO₂. Восстановление его происходит по реакции SiO₂ + 2C = Si + 2CO – Q.

Фосфор восстанавливается водородом, твердым углеродом и CO и, к сожалению, переходит в чугун практически полностью. Этот элемент ухудшает доменный сплав железа. Позволяет получить чугун хорошего качества присутствующий в шихте кремнезем, а также высшие оксиды марганца. Mn в некоторых случаях добавляется в домну специально. При этом получается особый вид чугуна — марганцевый.

Удаление серы

Вопрос о том, как получить чугун хорошего качества, сводится в том числе и к очистке его от этого нежелательного элемента. Сера является основной вредной примесью, значительно ухудшающей свойства конечного продукта выплавки. Основное ее количество содержится в коксе. Удаляют серу путем повышения содержания в шихте извести (CaO) и увеличения температуры в горне. Реакция в данном случае выглядит так: FeS + CaO = FeO + CaO + Q. Для снижения процента содержания серы в чугуне могут использоваться и другие способы. К примеру, иногда уже выплавленный материал обрабатывается в выпускном желобе или чаше с содой. При этом удаление серы происходит в результате реакции FeS + NaCO₃ = FeO + Na₂S + CO₂.

Образование шлака

Таким образом, мы с вами выяснили, как получают чугун. Однако при выплавке этого материала получается и еще один, широко используемый в народном хозяйстве продукт. При плавке 1 т чугуна выходит 0,6 т шлака. Дело в том, что даже в очищенной железной руде содержится довольно-таки большое количество глины. В состав кокса же входит зола. Для удаления этих ненужных элементов к шихте, помимо всего прочего, примешивают флюсы (карбонаты кальция и магния). В процессе плавки они вступают в химическую реакцию с разного рода примесями, в результате чего и образуется шлак. Представляет он собой алюмосиликатный или силикатный расплав.

Плотность шлака меньше, чем жидкого чугуна. Поэтому в процессе плавки он располагается под ним. Удаляют его периодически через отдельную летку, называемую шлаковой. Используется этот побочный продукт чугунолитейного производства в основном для изготовления цемента и строительных блоков в качестве наполнителя.

Виды чугуна

Как видите, вопрос о том, как получить чугун в домне, относительно несложен. В конечном итоге, однако, из печи может выходить материал, немного отличающийся по химическому составу и физическим свойствам. Все чугуны в основном подразделяются на две разновидности: передельные (белые) и литейные (серые). Первый тип используется как сырье при производстве сталей. Литейный применяют для получения разного рода чугунных изделий, пользующихся на рынке неплохим спросом.

Белый чугун

Доля этой разновидности выплавляемого в доменных печах металла составляет 75-80%. Основными свойствами такого чугуна являются: большая твердость, хрупкость и износоустойчивость. Марганца и серы в нем содержится обычно больше, чем в литейном. Обработке белый чугун поддается с большим трудом. Использовать для изготовления из него каких-либо изделий обычные режущие инструменты современных станков нельзя. Зато сталь получают из чугуна этой разновидности довольно-таки просто. Подразделяется передельный доменный металл в зависимости от способа дальнейшей переплавки на три класса: мартеновский (М), бессемеровский (Б) и томасовский (Т).

Литейный чугун

Углерод в этом материале в основном содержится в виде свободного графита, имеющего в своем составе кремний. Поставляется он для изготовления чугунных изделий в виде чушек. Маркируется этот материал буквой “Л” и цифрами от “1” до “6”, в зависимости от назначения. Существует также рафинированный магнием литейный чугун, помечаемый буквами “ЛР”.

Ну что ж, надеемся, мы в достаточно полной мере ответили на вопрос о том, сплав железа с каким веществом позволяет получить чугун. Это обычный углерод, замещающий в доменной печи входящий в состав руды кислород. Основные же свойства чугуна зависят от количества входящих в его состав примесей: марганца, фосфора, кремния и серы.

Чугун: процесс производства, классификация и маркировка

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:
   • доэвтектический (2,14-4,3 %);
   • эвтектический (4,3%);
   • заэвтектический (4,3-6,67%).
2. По видам углерода, и цвету излома:
   • 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;
   • 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;
   • 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.
3. По физическим параметрам, согласно ГОСТ 1412-54 и 1215-59, различают марки чугуна:
   • 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;
   • 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.
4. По специфическим свойствам:
   • Износостойкий;
   • Антифрикционный;
   • Коррозионностойкий;
   • Жаростойкий;
   • Немагнитный.
5. По шкале твердости Бринелля:
   • Мягкий (НВ менее 149);
   • Умеренной твердости (НВ 149-197);
   • Улучшенной твердости (НВ 197-269);
   • Твердый (НВ более 269).
6. По значению временного сопротивления при растяжении:
   • Обыкновенной прочности (менее 20 кгс/мм2);
   • Улучшенной прочности (20-38 кгс/мм2);
   • Максимальной прочности (более 38 кгс/мм2).
7. По магнитным характеристикам:
   • Ферромагнитный — обладающий магнитными свойствами, из-за высокого содержания в металлической матрице феррита и цементита;
   • 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.