Чугун в деталях: история, типы, свойства и современные применения

Универсальный металл, у чугуна множество уникальных применений в коммерческом и промышленном мире

Наличие железа в повседневной жизни началось около 1200 г. до н.э., охватывая широкий спектр применений — от сельскохозяйственных орудий до оружия. Кузнецы стали критической профессией, работая с железом для изменения его свойств и формовки инструментов. В каждой деревне и городе была кузница, где производили серпы, плуги, гвозди, мечи, подсвечники и многое другое.

Открытие ценности железа привело к так называемому Железному веку из-за доминирования этого материала в социальных и военных применениях. Еще одна веха для металлов последовала — Индустриальная революция изменила способ производства и обработки металлов в изделия, включая железо.

Типы железа

Существует два основных типа производимого железа: кованый железо и чугун. Внутри чугуна есть своя семейство металлов.

Кованый железо

Первый тип железа, производимый и обрабатываемый кузнецами, был кованый железо. Это практически чистое элементарное железо (Fe), нагреваемое в печи перед ковкой (обработкой) молотами на наковальне. Ковка выгоняет большую часть шлака из материала и сваркивает частицы железа вместе.

Во время промышленной революции и связанного ускорения строительной деятельности открыли новое применение кованому железу. Его высокая прочность на растяжение (сопротивление разрыву под нагрузкой) сделала его идеальным для балок в крупных строительных проектах — мостах и небоскребах. Однако использование кованого железа для этой цели было в основном прекращено в начале 20-го века, когда стальные изделия были разработаны с превосходной производительностью для строительных применений.

Кованый железо стал знаменит декоративными изделиями. Церкви 15-го и 16-го веков содержат изысканные кованые изделия, созданные умелыми мастерами. В современном мире перила, двери и скамейки всё еще делают из кованого железа как индивидуальные заказы.

Чугун

Чугун производят плавкой железо-углеродистых сплавов с содержанием углерода более 2%. После плавки металл льют в форму. Первичное различие в производстве между кованым железом и чугуном — чугун не обрабатывают молотами и инструментами. Есть также различия в составе — чугун содержит 2–4% углерода и другие сплавы, и 1–3% кремния, улучшающего литейные свойства расплава. Могут присутствовать небольшие количества марганца и примеси вроде серы и фосфора. Различия между кованым железом и чугуном также находятся в деталях химической структуры и физических свойств.

Хотя и сталь, и чугун содержат следы углерода и выглядят похоже, между двумя металлами есть существенные различия. Сталь содержит менее 2% углерода, что позволяет конечному продукту затвердевать в единой микрокристаллической структуре. Более высокое содержание углерода в чугуне означает, что он затвердевает как гетерогенный сплав, и поэтому в материале присутствует более одной микрокристаллической структуры.

Именно сочетание высокого содержания углерода и присутствия кремния дает чугуну его отличную литейность. Различные типы чугуна производят с использованием разных методов термической обработки и переработки, включая серый чугун, белый чугун, ковкий чугун, высокопрочный чугун и чугун с компактированным графитом.

Серый чугун

Серый чугун характеризуется хлопьевидной формой молекул графита в металле. При разрушении металла разрыв идет по графитовым хлопьям, что придает серий цвет на поверхности скола. Название «серый чугун» происходит от этой характеристики.

Можно контролировать размер и матричную структуру графитовых хлопьев при производстве путем регулировки скорости остывания и состава. Серый чугун менее вязок, чем другие формы чугуна, и его предел прочности на растяжение также ниже. Однако он лучший теплопроводник и имеет более высокий уровень вибрационного демпфирования. Способность к демпфированию в 20–25 раз выше, чем у стали, и превосходит все остальные чугуны. Серый чугун также легче обрабатывается на станках, и его износостойкость делает его одним из самых массовых чугунных продуктов.

Наши ландшафтные изделия сделаны из серого чугуна. Вибрационное демпфирование и износостойкость делают этот материал правильным для многих уличных применений. Сырой серый чугун также формирует патину, защищающую от деструктивной коррозии даже на улице.

Белый чугун

При правильном содержании углерода и высокой скорости остывания атомы углерода соединяются с железом, образуя карбид железа (цементит). Это означает, что в затвердевшем материале практически нет свободных молекул графита. При сколении белого чугуна сколотая грань выглядит белой из-за отсутствия графита. Цементитная микрокристаллическая структура тверда и хрупка, с высокой прочностью на сжатие и хорошей износостойкостью. В определенных специализированных применениях желательно иметь белый чугун на поверхности изделия. Это достигается использованием хорошего теплопроводника для части формы. Он быстро отводит тепло от расплава в конкретной зоне, пока остальная заготовка остывает медленнее.

Одна из самых популярных марок белого чугуна — Ni-Hard (Ни-Хард). Добавление хрома и никеля дает этому продукту отличные свойства для применений с низким ударом, скользящим абразивным износом.

Белые чугуны и ни-хард чугуны входят в классификацию сплавов ASTM A532 — «Стандартная спецификация для абразивостойких чугунов».

Ковкий чугун

Белый чугун можно дальше переработать в ковкий чугун через процесс термической обработки. Расширенная программа нагрева и охлаждения приводит к разрушению молекул карбида железа, высвобождая свободные молекулы графика в железо. Разные скорости остывания и добавление сплавов производят ковкий чугун с микрокристаллической структурой.

Высокопрочный чугун (Нодулярный чугун)

Высокопрочный чугун, или нодулярный чугун, получает свои специальные свойства за счет добавки магния в сплав. Наличие магния заставляет графит формироваться в сфероидной форме вместо хлопьев серого чугуна. Контроль состава критически важен в производстве. Небольшие количества примесей, такие как сера и кислород, реагируют с магнием, влияя на форму графитовых молекул. Разные марки высокопрочного чугуна формируются манипулированием микрокристаллической структуры вокруг графитовых сфероидов. Это достигается через процесс литья или через термическую обработку как последующий этап переработки.

Поскольку высокопрочный чугун деформируется при ударе, а не рассыпается в осколки, мы используем материал для изготовления чугунных облимателей. Ударопрочный профиль высокопрочного чугуна делает его хорошим чугуном для облимателей у дорожного трафика.

Чугун с компактированным графитом

Чугун с компактированным графитом имеет графитовую структуру и связанные свойства, смешивающие серый и белый чугун. Микрокристаллическая структура формируется вокруг затупленных хлопьев графита, которые взаимосвязаны. Сплав, такой как титан, используется для подавления образования сфероидального графита. Чугун с компактированным графитом имеет более высокую прочность на растяжение и улучшенную вязкость по сравнению с серым чугуном. Микрокристаллическая структура и свойства можно регулировать через термическую обработку или добавление других сплавов.

Сводная таблица составов чугуна

Таблица, разработанная Engineer's Handbook, показывает диапазоны составов для различных типов чугуна:

ДИАПАЗОНЫ СОСТАВОВ ДЛЯ ТИПИЧНЫХ НЕЛЕГИРОВАННЫХ ЧУГУНОВ
ЗНАЧЕНИЯ В ПРОЦЕНТАХ (%)

Тип чугуна	C	Si	Mn	S	P
Серый	2.5–4.0	1.0–3.0	0.2–1.0	0.02–0.25	0.02–1.0
Высокопрочный	3.0–4.0	1.8–2.8	0.1–1.0	0.01–0.03	0.01–0.1
Компактированный графит	2.5–4.0	1.0–3.0	0.2–1.0	0.01–0.03	0.01–0.1
Ковкий (из белого)	2.0–2.9	0.9–1.9	0.15–1.2	0.02–0.2	0.02–0.2
Белый	1.8–3.6	0.5–1.9	0.25–0.8	0.06–0.2	0.06–0.2

Механические свойства чугуна

Механические свойства материала показывают, как он реагирует под конкретными нагрузками, помогая определить пригодность для разных применений. Спецификации устанавливают организации вроде ASTM (Американское общество испытаний и материалов), чтобы пользователи могли закупать материалы с уверенностью, что они соответствуют требованиям применения. Наиболее распространенная спецификация для серого чугуна — ASTM A48.

Для квалификации чугунных изделий по спецификациям стандартная практика — отливать контрольный пробы вместе с инженерными литьями. Тесты ASTM применяют к этому пробы, и результаты используются для квалификации всей партии литьев.

Спецификации также важны при сварке чугунных деталей. Шов должен соответствовать или превосходить механические свойства свариваемого материала — иначе могут возникнуть трещины и отказы.

Несколько общих механических свойств чугуна:

• Твердость — сопротивление материала абразивному износу и вдавливанию
• Вязкость — способность материала поглощать энергию
• Вязкость (ductility) — способность деформироваться без разрушения
• Эластичность — способность возвращаться к исходным размерам после деформации
• Ковкость — способность деформироваться под сжатием без разрыва
• Предел прочности на растяжение — наибольшее продольное напряжение, которое материал может выдержать без разрыва
• Предел выносливости — наивысшее напряжение, которое материал может выдержать заданное число циклов без разрушения

Эта таблица резюмирует ключевые механические свойства для различных марок чугуна. Для подробностей см. «Iron Alloys» — отличный справочник от American Foundry Society.

Марка	Твердость по Бринеллю	Предел прочности на растяжение (ksi)	Модуль упругости (Msi)	Относительное удлинение % (в 50 мм)
Серый чугун класс 25	187	29.9	16.1	—
Серый чугун класс 40	235	41.9	18.2	—
Высокопрочный чугун 60-40-18	130–170	60	24.5	—
Высокопрочный чугун 120-90-02	240–300	120	25.5	—
CGI класс 250	179 макс	36.2 мин	—	3
CGI класс 450	207–269	65.2 мин	—	1

Частые применения чугуна

Различные свойства разных типов чугуна делают каждый тип подходящим для специфических применений.

Применение серого чугуна

Одна из ключевых характеристик серого чугуна — способность сопротивляться износу даже при ограниченной смазке (например, верхние стенки цилиндров в блоках цилиндров). Серый чугун используют для блоков цилиндров и головок блоков, коллекторов, газообразных горелок, заготовок шестерен, корпусов и обтекателей.

Применение белого чугуна

Процесс отбеливания для производства белого чугуна дает хрупкий материал с очень высокой стойкостью к износу и абразии. Поэтому его используют для футеровки мельниц, насадок для пескоструйных аппаратов, тормозных колодок железных дорог, корпусов шламовых насосов, вальцев мелющих станков и дробилок.

Ni-Hard железо специально применяют для лопастей миксеров, шнеков и матриц, футеровочных плит шаровых мельниц, угольных желобов и проводников проволоки для вытяжки.

Применение высокопрочного чугуна

Высокопрочный чугун сам по себе разбивается на разные марки, каждая со своими спецификациями свойств и наиболее подходящими применениями. Он легко обрабатывается, имеет хорошие пределы выносливости и текучести, при этом износостоек. Его самая известная черта — вязкость. Из высокопрочного чугуна делают рулевые кулаки, плуговые соски, коленвалы, тяжелые шестерни, компоненты подвески авто и грузовиков, гидравлические компоненты, петли автомобильных дверей.

Применение ковкого чугуна

Разные марки ковкого чугуна соответствуют разным микрокристаллическим структурам. Специфические атрибуты, делающие ковкий чугун привлекательным: способность удерживать и накапливать смазки, неабразивные частицы износа и пористая поверхность, удерживающая абразивные остатки. Ковкий чугун используют для тяжелых подшипниковых поверхностей, цепей, зубчатых колес, шатунов, компонентов привода и осей, подвижного состава железных дорог, сельскохозяйственной и строительной техники.

Применение чугуна с компактированным графитом

Чугун с компактированным графитом начинает завоевывать коммерческие применения. Сочетание свойств серого и белого чугуна создает продукт с высокой прочностью и высокой теплопроводностью — подходит для блоков цилиндров дизелей и рам, цилиндровых втулок, тормозных дисков поездов, выпускных коллекторов, шестеренчатых плит высоконапорных насосов.

Механическая обработка и отделка

Свойства твердости чугуна требуют тщательного выбора режущего инструмента. Покрытые твердые сплавы эффективны в производственной обработке, но новые материалы разрабатываются постоянно с улучшением технологий.

Поверхностная отделка чугунных изделий сильно варьируется в зависимости от применения. Несколько частых вариантов:

• Гальваническое напыление
• Горячее оцинкование
• Тепловое напыление
• Диффузионное покрытие
• Конверсионное покрытие
• Эмалирование фарфором
• Жидкие органические покрытия
• Сухие порошковые органические покрытия

Чугун и будущее

От раннего использования более 3000 лет назад железо остается неотъемлевой частью человеческого общества. Производство железа прошло долгий путь от веков кузнечной работы к изобретению чугуна в промышленную эпоху.

С тех пор кованый железо стал в основном устаревшим, кроме декоративных применений. Напротив, чугун продолжает прогрессировать по составу, микроструктуре и механическим свойствам — продолжая оставлять след в современном мире.

За дополнительной информацией о металлических литьях или запросом котировки на индивидуальный металлический проект — свяжитесь с нами.