Чугун: ключевые свойства, виды и практические применения

Подробный обзор чугуна: определение, формы нахождения углерода (цементит/графит), 7 основных видов (серый, белый, ковкий, нодулярный/высокопрочный, отбелываемый, легированный, миханит), производство, свойства и сферы применения каждого вида.

Что такое чугун

Чугун — сплав железа с 2–4% углерода, Si, Mn и примесями (S, P). Получают восстановлением железоруды в доменной печи. Углерод в двух формах: (1) Цементит (Fe₃C) — химическое соединение -> белый чугун. (2) Свободный графит — механическая примесь -> серый чугун. Промежуточный — пестрый чугун (пятна серого в белом). Применяется в вальцах (последние стенды) за высокую износостойкость, теплопроводность и модуль упругости.

Качество чугуна зависит не только от количества C, но и от формы его нахождения.

7 основных видов чугуна

1. Серый чугун (Grey cast iron) — медленное остывание/кристаллизация. Большая часть C в виде графитовых пластинок. Состав: много C, мало Si, P, S, Mn. Структура: тускло-серая, кристаллитная/зернистая, блестит от графита. При наборе/обработке руки чернеют. Хрупкий, ломается тяжелым молотком. Прочность на сжатие (600–750 Н/мм²) >> на разрыв (120–300 Н/мм²), на сдвиг 150–225 Н/мм². Твердость 150–240 HB. Преимущества: дешевизна, низкая температура плавления (1150–1200 °C), высокая текучесть, легкая обработка резанием. Графит работает как смазка -> свободное скольжение больших направляющих. Текучесть позволяет лить сложные формы.
2. Белый чугун (White cast iron) — C только в виде цементита. Получен: много Mn, мало Si, быстрое остывание. Быстрое остывание + Mn -> цементит. Очень твердый (400–600 HB), хрупкий, слом серебристо-металлический. Ограниченное применение: сложность обработки, плохая механическая обрабатываемость. Сырой материал для ковкого чугуна и ковки. Меньше ржавеет, чем серый.
3. Ковкий чугун (Malleable cast iron) — обычный чугун твердый/хрупкий, не для тонких/ударных деталей. "Ковкость" относительно серого чугуна. Изготовляют из белого чугуна (весь C в цемените). Два метода ковкования:
   • Белосердцевое (White heart)
   • Черносердцевое (Black heart)
   Названия по цвету перелома. Составы в табл. 4.3.
4. Нодулярный/Высокопрочный чугун (Nodular/Ductile iron) — графит выпадает не пластинками, а сферами (нудулами). Достигают добавками: Mg, Ce, Ca, Bi, Zn, Cd, Ti, B. Ферросилиций — инокулянт. Высокая текучесть (сложные формы), отличное сочетание прочности и пластичности. σв ~330 Н/мм². Давление/герметичность -> гидроцилиндры, клапаны, трубы/фитинги, головки блоков компрессоров/дизелей. Вальцы, центрифугальные литья.
5. Отбелываемый чугун (Chilled cast iron) — быстрое остывание ("отбеливание") -> твердая поверхность. Природное отбеливание в песчаной форме 1–2 мм. Намеренное: металлические отбеливатели (чугун/термостойкая сталь) в форме там, где нужна твердость белого чугуна, а ядро — серое (мягкое/вязкое). Комбинированные свойства.
6. Легированный чугун (Alloy cast iron) — Ni, Cr, Mo, Ti, Si, Cu для преодоления недостатков обычного чугуна. 1–2% Ni -> простое улучшение свойств, обрабатываемость, однородность. 25% Ni -> износостойкость. Ni + Cr -> износостойкость насосов (трение/эрозия). 10–30% Cr + 1–3% C -> теплостойкость + прочность при высоких T. 10% Ni + 6% Mn -> немаргнитный (патент "Номаг"). Ni 1% -> плотность/герметичность крупных сечений (пар/гидро машины, КВД). Ni -> стойкость к щелочной коррозии (щелочные котлы/трубы).
7. Миханит (Meehanite cast iron) — обработка кальциемсилицидом (CaSi) -> тонкая графитовая структура, отличные механические свойства. Торговая марка. Качество не только от CaSi, но и строгого контроля плавки (купола/электропечь) и формовки. Мало CaSi остается в металле. Низкий Si, умеренный C (2,5–3%) — бы белым, но графитизация дает спектр марок. 5 групп (26+ марок): (а) общее машиностроение, (б) теплоустойчивые, (в) износостойкие, (г) коррозионностойкие, (д) нодулярные S-type. Все миханиты: высокая прочность, вязкость, пластичность, обрабатываемость. "Мост между чугуном и сталью". Масса литьев 500–6000 кг. Твердость 200–210 HB. Реагируют на термообработку (в отличие от серого чугуна) -> закалка в объеме/поверхности, упрочнение для станин станков.

Производство чугуна

Из чугунного железа (продукт доменной печи). Прямо из расплава или переплавка с ломом, известью, коксом, удалением S/P (сгорают, но сгорает и C — его дозагружают). Корректируют C (2–3,5%) и Si (1–3%). Легируют при необходимости. Плавка: купола (спец. доменная печь) или современные индукционные/дуговые печи. Расплав в выставочную печь/ковш.