Для чего используется чугун
Elton-zoloto.ru

Драгоценные металлы

Для чего используется чугун

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.

Свойства чугуна

Чугуном называет сплав железа с углеродом, а также с другими элементами.

Характеристика чугуна

Важным фактором именно при производстве чугуна служит то, что в составе сплава минимальное количество углерода составляет 2,14% и более. Если же в сплаве содержание углерода ниже указанного количества, то данный сплав не является чугуном, а называется сталью. Процесс производства стали и чугуна примерно одинаковый. Главным отличием двух данных сплавов является количественное содержание углерода в их составе. Так как в чугуне содержится большее количество углерода, чем в стали, то чугун представляет собой очень прочный, но хрупкий материал. В то время, как сталь является очень гибкой. Именно большое содержание углерода в составе чугуна придает данному материалу исключительную твердость, которая по шкале Мооса составляет целых 7,5 баллов. Данный показатель существенно больше, чем у кварца, однако, меньше, чем у алмаза, но всего лишь на 2,5 балла.

Читать еще:  Как очистить от ржавчины маникюрные ножницы

Углерод в чугуне может представлять собой цементит и графит. Именно формой графита и количественным содержанием цементита в сплаве определяется вид чугуна. Таким образом, чугун подразделяется на белый, серый, ковкий и высокопрочный. Химический состав чугуна, в котором присутствуют такие примеси как, кремний, марганец, сера и фосфор, является почти всегда постоянным. Однако, в некоторых случаях, чугун также может содержать следующие легирующие элементы: хром, никель, алюминий, ванадий и другие. Данные компоненты вводятся в состав сплава с целью придания ему большей прочности, износостойкости, жароупорности, устойчивости к коррозии, немагнитности. Чугун, в котором присутствуют указанные примеси, называется легированный чугун. Количественное содержание указанных примесей в сплаве определяет степень его легирования. В зависимости от этого, различают:

  • низколегированный чугун. В его составе содержится менее 2,5% всех легирующих примесей;
  • среднелегированный чугун. Тут примеси составляют порядка 2,5 – 10%;
  • высоколегированные, содержащие более 10% легирующих элементов.

Химические признаки легированных чугунов являются главным фактором для их классификации. Таким образом, среди легированных чугунов выделяют:

  • алюминиевый чугун. В его составе присутствует алюминий в количестве от 0,6 до 31%. Такой чугун более прочный, более жаростойкий, устойчивый к коррозии, а также имеет высокую износостойкость. Применение данного сплава уместно там, где осуществляется работа в агрессивной среде и при высоких температурах – термические печи, аппараты химического оборудования, газовые двигатели.
  • никелевый чугун. В его составе присутствует никель в количестве от 0,3-0,7% до 19-21%. Содержание никеля напрямую оказывает влияние на форму графитовых выделений в структуре никелевого чугуна. Данный сплав обладает такими свойствами, как высокая устойчивость к коррозии, высокая устойчивость к воздействию на материал как высоких так и достаточно низких температур (жаропрочность и хладостойкость), а также способен выдерживать воздействие такой агрессивной среды, как морская вода. Последнее свойство никелевого чугуна определяет высокую востребованность данного материала в судостроительстве, так как используется для изготовления деталей, работающих в морской воде.
  • хромистый чугун. В составе данного сплава находится около 32% хрома. Данный вид легированного чугуна обладает следующими свойствами: жаростойкость, коррозионностойкость, износостойкость.

Стоит отметить, что в целом стоимость легированных чугунов существенно ниже, чем стоимость нержавеющих сталей. Кроме этого, им присущи хорошие литейные свойства. В связи с этим, изделия из данного сплава получаются очень прочными, качественными, и в то же время экономичными.

Добыча чугуна осуществляется в процессе выплавки железной руды в доменных печах при температуре в пределах 1150 – 1200 0 С.

История чугуна

Чугун известен человечеству с далеких времен, которые уходят своими корнями еще в эпоху до нашей эры. Этому свидетельствуют многочисленные археологические находки, среди которых присутствуют как и чугунные предметы, так и сами сыродутные печи, в которых, собственно, люди и получали данный материал. Однако, железо является далеко не первым историческим металлом, с которым познакомилось человечество. Изначально люди использовали самородную медь, которую добывали в неглубоких шахтах. Однако, не смотря на появление металла в жизни людей, на протяжении достаточно длительного времени очень популярным оставался камень. Позже люди научились изготавливать бронзу, и только в VI-V до нашей эры в жизни людей появилось железо, а вместе с ним сталь и чугун.

Родиной чугунных изделий является Китай. Именно там была впервые освоена технология литья чугуна и зародился данный термин, который и пришел позже в Россию через татаро-монгольское посредничество. Таким образом, первые чугунные изделия также появились в Китае. Это было множество разнообразных предметов повседневного обихода, кухонная утварь, а также монеты. Достаточно популярная на сегодняшний день сковорода «вок» одной из первой была произведена в Китае именно из чугуна. В те далекие времена она представляла собой сосуд, диаметр которой достигал одного метра. Данная сковорода также имела очень тонкие стенки. Ее стоимость была достаточно высока, однако, не смотря на это, данный кухонный инвентарь был крайне популярен и востребован в больших китайских семьях.

Кроме этого, археологи находят уникальные вещи, вылитые из чугуна, среди которых следует отметь чугунного льва, имеющего высоту 6 метров и длину 5 метров. По словам ученых, данная статуя была отлита за один раз. Это свидетельствует о том, что в те далекие доисторические времена, при отсутствие современных высококлассных технологий, китайские металлурги достигли огромного мастерства в работе с металлами, в частности с чугуном.

Достаточно интересным и в какой-то степени необычным фактом является то, что считается, что ковкий чугун начали производить лишь только в ХІХ веке нашей эры, при том, что археологи находят чугунные мечи, сделанные еще в дохристианскую эпоху.

Россия и Европа познакомились с чугуном спустя не одно столетие, а именно только в ХІV – XVI веках. В это время чугун был основным материалом для производства артиллерийских снарядов и оружия. И только в XVII веке использование чугуна существенно расширяется. Этому способствовало развитие металлургической промышленности. Постепенно закончилась эпоха артиллерийского применения чугуна и началась эпоха художественного литья – новую столицу Российской Империи повсюду украшали литые ограды, лавки, а также другие элементы тонкого чугунного литья. Чугун также стал причиной изменений в печном деле, поскольку на смену пришли чугунные задвижки и печные дверцы, имеющие существенно преимущество – устойчивость к высоким температурам, а также герметичность, что не позволяло печному дыму выходить из печи и задымлять помещение.

Русские мастера-металлурги считались в те времена лучшими. Они владели многими технологиями обработки чугуна, которые постоянно перенимали английские, французские и немецкие мастера.

На сегодняшний день, в эпоху нано-технологий и технологического прогресса, когда с каждым годом появляются все новые материалы, развитие металлургии не останавливается и продолжает двигаться вперед. И спустя более двух тысяч лет человечество так и не смогло найти материал, который смог бы заменить чугун. Он и дальше продолжает использоваться для изготовления различных предметов, окружающих людей.

Использование чугуна

Свойства чугуна настолько уникальны, что до настоящего времени не нашлось еще более подходящего материала, который мог бы заменить данный сплав. Кроме того, чугун является достаточно дешевым материалом. В связи с этим, применение чугуна остается широким и разнообразным. Особенно применение чугуна уместно там, где следует изготовить детали, имеющие сложную форму, а также обладающие высокой прочностью. В связи с этим, чугун нашел свое широкое применение в следующих сферах человеческой деятельности:

  • автомобильная промышленность. В данном случае применяется чугун с вермикулярным графитом. Именно он является основным материалом для изготовления коленчатых валов дизельных двигателей, а также блоков цилиндров двигателей внутреннего сгорания. Благодаря содержанию графита прочность сплава в разы увеличивается, что и является основной причиной популярности чугуна в данной отрасли.
  • сантехническое оборудование. Как и в случае с автомобильной промышленностью, также применяется чугун с графитом. Именно такой материал отлично подходит для производства труб, применяемых как для водоотведения, так и для водоснабжения. Также его активно используют при производстве ванн, раковин, рукомойников, фитингов и много другого. В данном случае, изделия обладают высокой надежностью, не требуют определенного специфического ухода, сохраняют на протяжении длительного периода свой первозданный внешний вид.
  • нефтегазовая промышленность. Из чугуна изготавливаются не только водопроводные трубы, но и трубы для транспортировки, закачки и выкачки нефти и газа. Основная причина использования чугуна в данной отрасли кроется в том, что изделия из чугуна обладают достаточно высокими эксплуатационными качествами.
  • отопление. Из чугуна производятся трубы и радиаторы отопления. Использование материала в данном случае обусловлено его высокой теплоотдачей, а также хорошими теплоаккумулирующими свойствами, что является очень важным и выгодным. После отключения отопления, спустя час времени, чугунные трубы способны продолжать излучать тепло на треть от своей изначальной мощности. И тут чугун полностью преобладает над сталью, которая не может похвалиться подобными качествами, ведь стальные трубы остывают вдвое быстрее.
  • кухонный инвентарь. Материал имеет большие поры, благодаря чему у него присутствует способность впитывания жиров во время приготовления пищи. В связи с этим, из чугуна производятся горшки, казаны и сковороды, антипригарные свойства которых с годами становятся все лучше. Кроме этого, учеными было доказано, что во время приготовления блюд в чугунной посуде, происходит обогащение пищи полезными питательными свойствами. Кроме этого, чугунная посуда способна предотвращать во время дальнейшего хранения пищи канцерогенов.

Из чугуна изготавливаются ограждения и решетки, винтовые лестницы, балконы, беседки, камины, светильники, столбы, фонари, скульптуры и т.д.

Как определить чугун

Знание материала, из которого сделаны те или иные предметы, очень важно. Например, оно необходимо для того, чтобы произвести ремонтные работы некоторых автомобильных комплектующих, отдельных деталей или других предметов. Это связано, прежде всего, с тем, что разный материал поддается разным видам и способам обработки (например, сварка, сверление и др.).

Итак, чугун можно в некоторых случаях определить визуально. Однако, такой способ подойдет в том случае, если есть какие-то трещины, сколы или разрывы материала. Если присутствуют любые подобные дефекты, то следует тщательно осмотреть его. Чугунная деталь на сломе или трещине будет окрашена в темно-серый цвет и иметь матовую поверхность. В то время, как сталь будет иметь светло-серый, ближе к белому, цвет и глянцевый блеск. Если присмотреться к поверхностным дефектам, то чугун будет иметь характерные полусферические мелкие зерна. К сожалению, такой способ не является точным определением материала, поскольку определить «на глаз» чугун это или нет можно только в том случае, если заливка сплава (в данном случае чугуна) в форму осуществлялась при низкой температуре, не обрабатывался в дальнейшем и не покрывался никакими лакокрасочными материалами. Именно характерные мелкие полусферические зерна и свидетельствуют о заливке сплава при высокой температуре.

Читать еще:  Алгоритм и правила проведения гальванизации золотом

Больше информации в определении чугуна может дать механический способ. Для этого необходимо получить стружку сплава. Это можно сделать путем сверления на небольшую глубину какого-то участка неработающей детали. Для высокопрочного чугуна стружка будет характерной – она будет крошиться, растираясь в руках в пыль и оставляя на пальцах след, похожий на грифель от простого карандаша. Чугунная стружка не способна завернуться в витой вьюн. Это обусловлено одним из свойств чугуна – хрупкостью.

Если же чугунное изделие попробовать разрезать болгаркой, то от него полетят короткие искры, имеющие красноватый оттенок на звездочке в конце трека.

Все указанные варианты имеют место быть для определения чугуна в домашних условиях. Однако, они не могут дать 100% определения. Для более точного определения сплава используют спектральный анализ, микроскопический анализ, а также взвешивание и определение объема.

Применение чугуна и изделий из него в строительстве и других областях

Чугун — это основной металл черной металлургии. Он представляет собой сплав железа и углерода. В чугун могут входить специальные добавки, которые делают его свойства особенными. Такой чугун обладает характеристиками износостойкости, коррозионностойкости, жаропрочности, немагнитности и другими. Про свойства, состав и области применения серого, белого, ковкого чугуна, а также высокопрочного и гранулированного расскажем ниже.

Сферы применения чугуна

Благодаря ценным свойствам, дешевизне и хорошим литейным характеристикам чугун применяют для изготовления различных деталей и предметов. Из чугуна можно получить изделия интересной и особенной формы, так как этот материал обладает отличной твердостью и прочностью. Сделанные чугунные предметы смогут выдержать достаточно серьезные нагрузки. Именно по этой причине из чугуна делают корпуса машин и основания станков.

  • Чугун всегда применялся для изготовления деталей и предметов тяжелой промышленности. Его использовали в металлургии и станкостроении. При этом этот материал брался в очень больших количествах. Он применялся в качестве основного для мелких изделий и для крупногабаритных предметов, масса которых достигала сотни тонн.
  • В машиностроении нашел свое применение серый чугун с графитной составляющей. Именно это вид всегда берут для изготовления ответственных деталей. Чугунные машинные изделий хорошо противостоят колебаниям и вибрации.
  • В автомобильной промышленности из чугуна изготавливают блоки цилиндров. Это ответственные детали, которые должны обладать высокой прочностью и стойкостью к износу. Этим качествам помогает соответствовать чугун. Чтобы сделать названные показатели оптимальными в чугун добавляют специальные добавки в виде графита. Графит в несколько раз повышает такое свойство сплава, как прочность. Добавки позволяют сделать чугун совершенным и использовать его при изготовлении коленчатый валов дизелей.
  • Из чугуна делают тормозные колодки. Мы знаем, что эти детали работают при повышенном трении. Чугун помогает им выдержать эти жесткие условия. Кроме этого, из чугуна делают валки мукомольный и бумагоделательных машин.
  • Чугунные изделия хорошо работают при низких температурах. Для этой целей используют ковкий вид чугуна. Из него делают узлы тракторов и сложных механизмов, которые будут в дальнейшем работать в жестких условиях.
  • Чугун широко используется для изготовления предметов быта. Это материал очень популярен среди нашего населения. Чугунные горшки, сковородки, казаны можно встретить как на обычной кухни, так в арсенале посуды ресторана. Это действительно уникальная посуда.
  • Про чугунную сковородку, которая обладает отличным качеством, знает любая хозяйка. Чугунная посуда хорошо сохраняет тепло. В ней удобно готовить блюда, для которых необходимо постоянно сохранять тепло. Чугунную посуду используют для приготовления плова, каш и рагу. Продукты в ней сохраняют массу полезных свойств. В такой пищи не образуются канцерогенные вещества. Кстати было доказано, что чугунная посуда способна обогащать продукты полезными элементами железа.
  • Для нефтяной промышленности, сложной и опасной отрасли, трубы изготавливают только из чугуна. Изделия получаются с высокими эксплуатационными качествами.
  • Чугун отличается своей долговечностью. Поэтому в наших домах до сегодняшнего времени можно увидеть мойки и ванны, которые были изготовлены более 50 лет назад и до сегодняшнего дня с успехом эксплуатируются.
  • Чугун очень часто применяют для художественных предметов. Из него делают разные произведения искусства. Так, набережная Санкт-Петербурга, практически вся украшена чугунными изделиями. Из чугуна изготавливают интересные и необычные ограждения, ажурные ветвистые ворота и чугунные памятники. Все это стало возможным благодаря хорошим литейным качествам этого материала. Сделанные вещи практически не изнашиваются и смотрятся так же даже спустя много лет. Нередко можно встретить чугунные произведения искусства в стенах музея.

Про характеристики и области применения сталей и чугунов (легированных, антифрикционных, литейных и др.) расскажем ниже.

Данное видео расскажет о сферах применения чугуна:

Использование материала в строительстве

В этом разделе будут рассмотрены классификация, маркировка (марки) и применение чугунов и их сплавов.

Особенности применения

В строительстве используют серый чугун. Белый слишком твердый и хрупкий. Его переплавляют в ковкий чугун или в сталь.

Чугун. Свойства чугуна. Применение чугуна

Родом из Азии. В слове «чугун» лингвисты усматривают тюркские корни. Так, к примеру, в азербайджанском языке «cugun» — обозначение для железа . Однако, литье чугуна – это работа не только с феррумом, но и углеродом.

Последнего в сплаве от 2-х до 4,5%. Состав создали в Китае в 6-ом веке. Европа переняла секрет производства в 14-ом. В России состав чугуна довели до совершенства лишь к 17-му.

Лучший товар поставлял литейный завод братьев Демидовых. Он расположился на Урале. За века чугун не утратил актуальности. Широкий спектр применения сплава обеспечивают его характеристики. С них и начнем.

Химические и физические свойства чугуна

Кроме железа и углерода материал чугун содержит и другие примеси. Так, плавку улучшают ванадий молибден. Для прочности добавляют кремний , марганец, серу, фосфор. Примесь каждого элемента меньше 1%. Тем не менее, без нее, чугун еще более хрупок.

Солидная примесь углерода лишает сплав пластичности, вязкости. Вот сталь, в которой 6-го элемента таблицы Менделеева менее 2%, ими отличается. Зачем же тогда добавляют «лишний» углерод в чугуновые трубы?

Цель – добиться исключительной твердости. По шкале Мооса она равна 7,5 баллов. Это больше, чем у кварца. До алмаза остается всего 2,5 балла.

Кроме твердости, неизменным свойством чугуна является температура его плавления – 1200 градусов Цельсия. В остальном, характеристики сплава зависят от его типа.

Основные виды чугуна: белый, серый, высокопрочный, ковкий и половинчатый. В первом сплаве весь углерод связан с железом. Fe3C называют цементитом. Он делает железо белым на изломе.

Отсюда и название чугуна. Разновидность материала особенно тверда, но и особенно хрупка, плохо поддается резке. В основном, из белого чугуна отливают шары. Их используют для перемалывания промышленного сырья.

Серый чугун содержит углерод не только в виде цементита, но и графита . Присутствие одновременно обеих форм именуют половинчатым чугуном. О роли в нем цементита сказано.

Графит же придает сплаву характерный цвет и добавляет пластичности. Серый чугун многокомпонентный. Кроме добавки углерода солидна примесь кремния – от 1,2 до 3,6%. В состав входят, так же, сера , фосфор и марганец .

Первая – вредная примесь, от которой не удается избавиться в процессе производства. А вот фосфор и марганец способствуют отбеливанию в поверхностных слоях. Так удается упрочнить оболочку деталей, улучшив при этом их пластичность.

На свойства чугуна влияет не только состав, но и скорость охлаждения. Она меняет структуру металла. Белый сплав охлаждают быстрее. Серый чугун, напротив, формируют медленно.

Высокопрочный чугун содержит углерод в виде графита, причем шарообразного. Соотношение его поверхности к объему минимально. Это делает материал однородным и прочным.

По свойствам сплав близок к литой углеродистой стали. При этом, литейные свойства высокопрочного чугуна лучше, он легко поддается резке и сохраняет износостойкость.

Купить чугун ковкий стремятся вовсе не для того, чтобы его ковать. Этой процедуре не подается ни один из видов сплава. Название указывает лишь на то, что состав поддается обработке давлением, то есть материал наиболее пластичен.

Работают же с ним, как правило, методом литья . Углерод в ковкой смеси графитизирован. Поэтому, марганца в составе сплава минимум. Элемент препятствует графитизации. Немного и кремния. На нижней планке в 2%, так же, держится углерод.

Марки чугуна список в разы шире перечня его видов. Только у ковкого сплава 8 типов. У них разный состав, или же, процентное соотношение компонентов. Так, марка КЧ 30-6 содержит от 2,7 до 3,1% углерода, а в КЧ 37-12 его не больше 2,5%.

Применение чугуна

Твердость в сочетании с хорошими литейными свойствами делают сплав идеальным для создания прочных деталей сложной формы, к примеру, художественных оградок.

Такие можно увидеть на набережных Красноярска, Иркутска, Санкт-Петербурга. В северной столицы ковка чугуна применена и при создании ворот Зимнего дворца.

Лом чугуна переплавляют, так же, на станины промышленных станков. Из прочного материала делают корпусные детали, посуду. Сковорода из чугуна выбирается при готовке блюд, требующих длительного томления.

Посуда долго нагревается, зато, отлично аккумулирует тепло. Жар распределяется равномерно. К тому же, чугун наделен антипригарными свойствами.

Они, как говориться, от природы. Особое покрытие здесь не причем. Поэтому, старинные сковороды не выходят из обихода, не смотря на модные модели с тефлоном.

Не исчезают с рынка и ванны из чугуна. Они тяжелы, но долговечны. К тому же, тяжесть – не только минус. За счет массы устраняются незаметные для человека вибрации, разрушающие линию стыка ванны со стенами. Микротрещины чреваты появлением в помещении плесени и грибка.

Читать еще:  Как согнуть трубу под 45 градусов

Среди сантехнического оборудования чугунными бывают и раковины, трубы, фитинги. Последние детали используют для соединения труб. Такая продукция почти изжила себя из-за сложности не только монтажа, но и демонтажа.

Требуется сварка чугуна. Это трудоемкая процедура, требующая сноровки. Соединить же современные трубы из пластика можно специальным паяльником, потратив в разы меньше времени и сил.

Производство чугуна направлено и на отрасль автомобилестроения. Прочный и износостойкий сплав идет на блоки цилиндров от двигателей внутреннего сгорания.

В дизельных же моторах из смеси железа с углеродом делают коленчатые валы. Как правило, чугун используют в бюджетных авто или специализированных, промышленных моделях.

Детали надежны, дешевы, но тяжелы. Сейчас, как известно, производители стремятся уменьшить массу машин. Это и сокращает долю чугунных элементов в современных автомобилях.

Из сплава феррума и углерода производили всем известные буржуйки. Есть и современные печи из чугуна. И покупают не только из-за ценника. Печи не деформируются при нагреве, что случается с моделями из других сплавов.

На высоте и теплопроводность чугунных изделий. Это делает их удобными для редкоотапливаемых площадей, или же помещений, требующих быстрого нагрева.

Добыча чугуна

Какой бы чугун ни был, это сплав. Добыть его невозможно. Смесь производят, а добывают компоненты для нее. В случае с чугуном, основной элемент – железо. Берут руды с ним и плавят в доменных печах. Топливо – каменный уголь в виде кокса. Иногда, берут мазут или природный газ.

Почему переплавляют руду, а не чистый металл? Потому что феррум не бывает самородным, всегда связан с другими элементами. Среди них и та самая пресловутая сера, от которой не удается полностью избавиться в ходе переплавки. Но, в железных рудах есть и полезные примеси – те же хром и марганец.

Руда требует подготовки – дробления и грохочения, то есть разделения по размеру частиц. Лишь потом сырье загружается в печь вместе с флюсами . В ходе окислительно-восстановительной реакции получается чугун.

Железо восстанавливается и оксидов. При этом, сами восстановители окисляются. Процесс протекает лучше и быстрее в кислородной среде. Поэтому, газ специально подается в домену печь до конца реакции.

Цена чугуна

На чугун цена зависит от вида изделия , производителя. Чистый сплав не продается, лишь продукция из него. Так, сковорода обходится, в среднем, в 4000 рублей. Если же хочется казан для плова объемом в 225 литров, придется выложить 30-40 000.

10-литровый образец стоит около 7000 рублей. За кило дроби в 0,8 миллиметров просят около 2300 рублей. Простейшая печь-буржуйка обойдется покупателю минимум в 4500 рублей. Отопительные котлы из прочного сплава опустошат карман не меньше, чем на 30 000.

Основная же масса моделей стоит в районе 100-150 000 рублей. За ванны просят от 6000. За чугунный радиатор придется выложить от 650-ти рублей. Дешевле всего лом . Килограмм чугуна оценивают всего в 7-10 рублей.

Чугун – состав, свойства и характеристика

Под понятием «чугун» может подразумеваться как конструкционный материал на основе железа, так и металлический сосуд, округлый горшок для приготовления пищи. Последний попадается редко. Современная посуда теснит.

Совсем устарело слово «чугунка». Так в XIX – начале XX века называли железную дорогу.

Что такое чугун

Это сплав железа и углерода с содержанием последнего от 2,14%. В идеальном случае. На деле помимо указанных всегда есть примеси и легирующие элементы. Так что разграничение «плавает».

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

Для чугуна содержание углерода ориентировочно составляет 4,3%. Почему «ориентировочно» – уже говорилось. Потому принято подразделять чугун на:

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.

В исходном виде такой чугун практически не используется. Не поддается обработке инструментом из «быстрорежущей» стали. Только с насадками из карбидов (ВК), да и то с трудом.

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.

Быстрое охлаждение даст преобладание перлита. Сплава феррита и карбида. Своеобразная «закалка» повысит прочность и твердость. И хрупкость, что не всегда приемлемо.

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

Для изготовления белый чугун нагревают до нужной температуры, выдерживают достаточное время и медленно остужают («отжиг»). Процесс провоцирует процесс распада Fe3C с выделением графита и появление феррита.

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

Маркируется «КЧ» с добавлением допустимой прочности на растяжение в МПа х 10 -1 и максимального относительного удлинения. Пример: КЧ 35-11.

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.

Маркируются аналогично ковким, но с обозначением «ВЧ».

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.

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.

Сантехническая фурнитура, канализационные трубы.

Декоративные элементы: ограды, решетки, ворота.

Печи для домов, бань.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector