Чугун: определение, свойства, виды и применение

Что такое чугун?

Чугун — это группа железоуглеродистых сплавов с содержанием углерода от 2% до 4%. Кроме того, в состав входят кремний (1–3% по массе), марганец, а также примеси серы и фосфора. Чугун получают путем восстановления железной руды в доменной печи.

Жидкое железо отливают в грубые слитки — «свиньи», которые затем переплавляют вместе с ломом и легирующими добавками в купельных печах и отливают в формы для изготовления различных изделий.

Легирующие элементы влияют на цвет перелома: белый чугун содержит карбидные примеси, позволяющие трещинам распространяться легко; серый чугун имеет пластинчатый графит, отвлекающий трещины; высокопрочный чугун содержит сферический графит («нудулы»), останавливающий развитие трещин.

За исключением ковкого чугуна, чугуны склонны к ломкости. Благодаря относительно низкой температуре плавления, хорошей текучести, отливности, высокой обрабатываемости на станках, устойчивости к деформации и износостойкости, чугун стал широко используемым конструкционным материалом.

Чугун применяют для труб, деталей машин и автозапчастей: головок блоков цилиндров, блоков цилиндров, коробок передач. Он устоен к окислению, но плохо сваривается.

Из чего состоит чугун?

Чугун производят из чугунного железа (сырого железа) — продукта плавки железной руды в доменной печи. Чугун можно получить прямо из расплавленного чугунного железа или путем его переплавки с добавлением железа, стали, известняка, угля (кокса) и удалением вредных примесей.

Фосфор и сера выгорают из расплава, но при этом сгорает и углерод, который необходимо восполнить. В зависимости от назначения, содержание углерода и кремния регулируют в пределах 2–3,5% и 1–3% соответственно. При необходимости в расплав вводят дополнительные элементы перед отливкой.

Иногда чугун плавят в специальной доменной печи — купели, но современные производства чаще используют электрические индукционные или дуговые печи. После плавки расплав разливают в раздаточную печь или ковш.

В чем разница между чугуном и сталью?

Главное различие: сталь получают из железной руды и металлолома, это сплав железа с контролируемым содержанием углерода. В чугуне углерода около 4%, в стали — менее 2%.

Чугун дешевле большинства сталей. Температура его плавления ниже, но он обладает высокой сжимаемой прочностью, твердостью и износостойкостью. Ключевое отличие: сталь вязкая и ковкая, чугун — закаленный, с высокой сжимаемой прочностью.

Еще одно отличие: в стали углерод находится в виде карбида железа, в чугуне — в виде графита, карбида железа или обоих. Чугун обладает отличной текучестью, чего не скажешь о стали.

Свойства чугуна

Основные механические свойства:

• Твердость. Чугун тверд, его можно закалять нагревом и быстрым охлаждением, что повышает долговечность.
• Вязкость. Способность материала поглощать энергию.
• Пластичность. Способность деформироваться без разрыва.
• Эластичность. Способность возвращаться к исходным размерам после деформации.
• Ковкость. Способность деформироваться под сжатием без разрыва.
• Предел прочности на растяжение. Максимальное продольное напряжение, которое материал выдерживает без разрыва.
• Предел выносливости. Наибольшее напряжение, которое материал выдерживает заданное число циклов без разрушения.
• Температура плавления. У чугуна она ниже (ок. 1200 °C), чем у конструкционных сталей (1300–1400 °C).
• Отливность. Избыток углерода делает расплав более текучим, упрощая отливку сложных форм.
• Обрабатываемость на станках. Чугун почти эластичен до предела прочности и образует разрывные стружки, облегчающие резание. Поэтому его предпочитают при высоких требованиях к обрабатываемости и прочности.

Химический состав чугуна

Чугун — сплав железа с 2–4% углерода, переменными количествами кремния и марганца, следами серы, фосфора, меди, никеля, хрома. Получают восстановлением руды в доменной печи. Примеси влияют на свойства:

• Кремний (до 4%): способствует графитизации, смягчает, улучшает обрабатываемость, повышает закалимость и электросопротивление.
• Сера (до 0,1%): повышает твердость и ломкость.
• Марганец (до 0,75%): способствует карбидообразованию, увеличивает твердость, износостойкость.
• Хром: карбидообразователь, повышает закалимость, износостойкость, коррозионную и окислительную стойкость.
• Никель: повышает предел прочности на растяжение.
• Вольфрам: повышает краснотвердость и горячую прочность.
• Молибден: повышает закалимость.
• Ванадий: повышает закалимость и краснотвердость.
• Алюминий, Титан: работают деоксидаторами в стали.
• Ниобий: снижает закалимость, повышает пластичность и ударную вязкость.
• Кобальт: снижает закалимость, устойчив к оттёканию при нагреве.

Виды чугуна

Четыре основных типа: белый, серый, высокопрочный (модульный) и ковкий чугун.

1. Серый чугун

Наиболее распространенный тип. Имеет графитовидную микроструктуру из множества мелких трещин, придающих сереистый цвет перелому. При производстве трещины раскрывают, обнажая серый графит. Серый чугун не так прочен, как сталь, и хуже воспринимает ударные нагрузки, но обладает сжимаемой прочностью, сравнимой со сталью. Поэтому популярен там, где важна сжимаемая прочность.

Графит в микроструктуре обеспечивает:

• Хорошую обрабатываемость на станках
• Стойкость к износу и зажимам

2. Белый чугун

Менее распространен. Беловатый цвет перелома обусловлен цементитом (карбидом железа). Как и серый, имеет мелкие трещины, но под поверхностью — цементит, а не графит. Цементит дает белый цвет. Белый чугун тверд и обладает отличной абразивной износостойкостью.

Преобладание карбидов определяет:

• Высокую сжимаемую прочность
• Твердость
• Хорошую износостойкость

3. Высокопрочный (модульный) чугун

Также называется нодулярным. Мягкий, вязкий высокоуглеродистый сплав с добавками магния и церия. Эти элементы замедляют рост графита, сохраняя металл мягким и вязким. Изобретен в 1940-х годах.

Небольшие добавки магния и цезия к серому чугуну сфероидят графит, обеспечивая:

• Высокую прочность
• Высокую пластичность

4. Ковкий чугун

Легко деформируемый вид. Получают термической обработкой белого чугуна: нагрев до двух дней с последующим охлаждением. После этого ковкий чугун можно гнуть и формировать.

Отжиг белого чугуна улучшает:

• Пластичность

5. Пестрый чугун

Содержит равные количества свободного углерода и карбида. Обладает промежуточными свойствами и цветом между серым и белым чугуном.

6. Закаленный чугун

Если белый чугун быстро охладить из расплавленного состояния, получается закаленный чугун.

7. Легированный чугун

Получают введением легирующих элементов (никель, хром, медь и др.). Свойства улучшаются в зависимости от добавки. Производят для получения заданных характеристик.

Применение чугуна

• Серый чугун: блоки цилиндров двигателей, маховики, корпуса коробок передач, станины станков.
• Белый чугун: шарикоподшипниковые поверхности.
• Высокопрочный чугун: шестерни, распределительные валы, коленчатые валы, поршневые кольца.
• Сантехнические изделия: канализационные трубы, люки, водопроводные трубы, бачки.
• Основы колонн и металлические колонны.
• Формы для отливки столбов освещения, металлических лестниц, ворот.
• Колеса экипажей и рельсовые крепления.
• Сельскохозяйственная техника и инструменты.
• Различные детали машин и механизмов.
• Автозапчасти.
• Кухонная посуда: кастрюли, сковороды, утварь.
• Якоря судов.

Преимущества чугуна

• Хорошие отливочные свойства
• Хорошая чувствительность (отливочная)
• Отличная износостойкость
• Хорошая обрабатываемость на станках
• Очень низкая чувствительность к концентраторам напряжений (ножевой чувствительности)
• Низкая концентрация напряжений
• Низкая стоимость
• Долговечность
• Устойчивость к деформации
• Сжимаемая прочность в 3–5 раз выше, чем у стали
• Отличные антивибрационные (демпфирующие) свойства — применяют для станин станков
• Постоянные механические свойства в диапазоне 20–350 °C
• Доступен в больших объемах, массовое производство; инструменты для отливки дешевы — низкая себестоимость изделий
• Можно отлить любую сложную форму и размер без дорогостоящей механической обработки

Недостатки чугуна

• Склонен к ржавлению
• Низкая прочность на растяжение
• Высокое отношение веса к прочности
• Высокая ломкость
• Плохая ударная вязкость
• По сравнению со сталью — худшая обрабатываемость (для некоторых видов)
• Детали чувствительны к толщине стенки (из-за медленного охлаждения толстых участков)
• Разрушение внезапное и полное, без явной стадии текучести
• Белый чугун практически необрабатываем на станках

Часто задаваемые вопросы

Что такое чугун?

Чугун — группа железоуглеродистых сплавов с содержанием углерода 2–4%, кремния 1–3%, марганца и примесей серы, фосфора. Получают восстановлением железной руды в доменной печи.

Каков состав чугуна?

Железоуглеродистые сплавы с 2–4% углерода, 1–3% кремния, марганцем, следами серы и фосфора.

Какие бывают виды чугуна?

Четыре основных типа: белый, серый, высокопрочный (модульный) и ковкий чугун.

Где применяют чугун?

Благодаря хорошей прочности на растяжение и пластичности, ковкий чугун используют для электрооборудования, ручного инструмента, трубных фитингов, шайб, кронштейнов, сельхозтехники, горного оборудования, деталей станков. Распространенная марка — ASTM A47.

Полезно ли готовить в чугунной посуде?

Чугун — не только для жарки. Способность удерживать тепло делает его подходящим для здорового питания, говорит диетолог Керри-Энн Дженнингс.

Каковы преимущества чугунной посуды?

Чугун удерживает тепло дольше, чем нержавейка, обеспечивая равномерный нагрев — идеально для мяса и стейков.

Каковы недостатки чугуна?

• Склонен к коррозии
• Низкая прочность на растяжение
• Детали чувствительны к сечению (медленное охлаждение толстых участков)
• Внезапное полное разрушение без точки текучести
• Плохая ударная вязкость
• Худшая обрабатываемость по сравнению со сталью

Чугун лучше стали?

Чугун обычно лучше устоен к механическому износу, особенно при трении.

Что лучше: железо или чугун?

Чугун тверже, ломче и менее ковок, чем кованое железо. Его нельзя гнуть или ковать — при растяжении он ломается. Но обладает хорошей сжимаемой прочностью.

Чугун прочен?

Чугун, как и камень, очень прочен на сжатие. Кованое железо, как большинство металлов, прочно на растяжение и вязко.

Чугун дешев?

Чугунные сковороды дешевы в производстве и не имеют наценки брендов вроде Le Creuset. Это нишевый рынок, изделия служат поколениями.

Почему чугун не ржавеет?

Высокое содержание углерода (1,7–3,7%) делает его относительно устойчивым к коррозии.

Черный металл — это чугун?

Несмотря на название, «черные» трубы изготовлены из низколегированной «мягкой» стали, что дает лучшую коррозионную стойкость, чем чугун.

Кто изобрел чугун?

Англичанин Абрахам Дарби в 1707 году запатентовал метод отливки тонкостенных горшков и чайников, удешевив производство.

Почему чугун такой тяжелый?

У чугуна высокая теплоемкость — для нагрева 1 кг требуется больше энергии, чем для меди. Алюминий имеет большую теплоемкость на кг, но гораздо меньшую плотность.

Чугун прочнее алюминия?

Чугун и алюминий выглядят похоже, но алюминий легче и прочнее. Железо дольше держит тепло, но дольше нагревается. Чугун служит дольше и дороже.

Читайте также

• Графит: свойства, применение и виды
• Хром: свойства, применение и влияние на организм
• Сталь: определение, виды и применение
• Нержавеющая сталь: определение, виды и применение