Чугун

Чугун - металл

Чугун — это черный металл, сплав железа и углерода, который имеет содержание углерода от 2,5 до 4 процентов в сочетании с другими элементами, такими как кремний, фосфор, марганец и сера, в различной пропорции.

Чугун по существу представляет собой железоуглеродистый сплав, содержащий другие важные элементы такие как кремний, марганец, сера и фосфор, которые заметно изменяют структуру и свойства получаемого сплава.

Чугуны широко используются из-за их лёгкости плавления и следовательно, используются там, где компоненты должны быть изготовлены литьем. Они также относительно дёшевы.

На структуру и следовательно физические свойства чугуна влияют:


  • содержание углерода
  •  скорость охлаждения из жидкого состояния до комнатной температуры
  •  наличие других элементов
Чугун и его виды

Виды чугуна и их основные характеристики

  • Серый ( от англ. cast iron — чугун)
  • Белый  (cast iron)
  • Ковкий (cast iron)

Серый чугун — содержит большую часть углерода в виде чешуйчатого графита (то есть химически не связанного с железом). Вы заметите свободный графит при опиливании или обработке серого чугуна, так как ваши руки станут чёрными. Материал получил своё название из-за сероватого внешнего вида, вызванного графитом при разрушении.

Серый чугун имеет низкую температуру плавления — 1150-1250 °C, а температуру заливки 1400 °C.

Основными составляющими этого типа чугуна являются железо и углерод. Иногда его сплавляют с кремнием, серой, марганцем и фосфором. Кремний помогает в образовании свободного графита, который служит «смягчителем». Сера и марганец могут привести к затвердеванию железа. Фосфор способствует текучести.

Это, в сочетании с его текучестью при расплавлении, делает его подходящим материалом для литья таких изделий как станки, корпуса и блоки цилиндров двигателей. Он не способен выдерживать растягивающие усилия, но хорош при сжатии. Он хрупкий и хорошо обрабатывается сухим способом из-за свободного графита, который действует как смазка. Другие виды применения серого чугуна включают изготовление оснований поверхностных датчиков, поверхностных пластин и пороков.

Характеристики серого чугуна:

  1. Очень хорошая обрабатываемость и стабильность, cпособен гасить вибрации, т.е. считается обладающим хорошей демпфирующей способностью.
  2. Превосходная износостойкость благодаря графиту, обеспечивающему самосмазывающийся эффект при контактах металл-металл.
  3. Относительно низкая прочность на растяжение и пластичность, но хорошая прочность при сжатии. Не подходит для ударных нагрузок

Белый чугун — имеет температуру плавления 1350 °C, а заливка в формы происходит при 1450 °C. Его получают путём быстрого охлаждения расплава для предотвращения образования графита

Вместо этого углерод химически соединяется с железом с образованием цементита (карбид железа Fe3C). Белый чугун показывает кристаллическую трещину при разрушении. Его нелегко подвергать механической обработке из-за твёрдой и хрупкой природы цементита. В расплавленном состоянии он менее текуч, чем серый чугун. Он широко используется в промышленности для изготовления износостойких поверхностей, таких как станины токарных станков.

Характеристики белого чугуна:

  1. Отличная стойкость к истиранию.
  2. Очень тяжёлый.
  3. Практически необрабатываемый, поэтому изначально должен соответствовать требуемой форме и размерам.


Ковкий чугун — это белый чугун, в котором содержание углерода уменьшено и равномерно распределено по всей массе, чтобы сделать его прочным. Он становится более ковким в результате процедуры отжига.

Существует два способа термической обработки белого чугуна.

В первом процессе материал нагревается до температуры около 950 °C, а затем отпускается примерно при 700 °C для улучшения структуры. Этот метод широко используется в Европе и России. Чугун, прошедший термическую обработку с использованием этого процесса, может выдерживать лёгкие ударные нагрузки.

При втором способе белый чугун нагревается в муфельной печи с материалами, богатыми оксидом железа (например гематит) до температуры от 900 до 1000 °C. Его оставляют в печи на несколько дней, а затем дают постепенно остыть ещё в течение нескольких дней. Углерод во внешних слоях выгорает (железо обезуглероживается), а центр заменяется графитом. Благодаря своей большей прочности и стойкости к ударным нагрузкам ковкий чугун используется для изготовления отливок более высокого качества, таких как корпуса садовых и сельскохозяйственных орудий, ручки машин и зубчатые колеса.

Характеристики ковкого чугуна:

  1. Очень хорошая обрабатываемость и стабильность.
  2. Более высокая прочность на растяжение и пластичность, чем у серого чугуна.
  3. Лучше выдерживает ударные нагрузки, чем серый чугун.

Руда чугуна

Чугун производится из железной руды
Чугун производится из железной руды

Железная руда — это минералы, из которых можно извлекать железо.

Важность металлов для человека невозможно переоценить, наиболее важными металлами являются металлы группы железа, то есть те, которые содержат железо (Ferrum — латинское слово, обозначающее железо). Основным сырьём для производства чёрных металлов — это железная руда.

Большая часть мирового железа добывается в России, Казахстане и Украине. Другие важными производителями являются США, Австралия, Франция, Бразилия и Канада. Наиболее важными железными рудами являются магнетит, гематит, лимонит и сидерит.

  • Магнетит (Fe304) — это руда, которая является одной из самых богатых железных руд. Он содержит около 65 процентов железа. Широко распространён и выглядит как  очень твёрдый, чёрный в форме камня. Магнетит обладает сильными магнитными свойствами.

  • Гематит (Fe203) — железная руда который имеет красный цвет, содержит 50-60 процентов железа, встречается в больших количествах в США и Испании.

  • Лимонит (2Fe2033H20) — минерал, который в основном состоит из оксида железа (гидроксид), но обычно встречается в смеси с гематитом и другими оксидами железа. Он желтовато- коричневого цвета и содержит 30 процентов железа. Он встречается в Швеции, Франции и Германии. 

  • Сидерит (FeCo3) или халибит — это низкосортная руда, которая содержит около 30 процентов железа. Его добывают в районах Восточного побережья Великобритании.

Особенности чугуна

При проектировании и создании любого изделия необходимо тщательно учитывать характеристики и особенности чугуна, прежде чем выбирать его для использования.

  1. Чугун тверже и более хрупок, чем сталь, и эти качества затрудняют его изгиб или придание ему формы.
  2. Обладает наилучшими литейными качествами в сравнении со сталью.
  3. Чугун имеет низкую стоимость (цена) чем сталь.
  4. Легко поддаётся механической обработке.
  5. В некоторых случаях (как аналог) имеет меньший вес.
  6. Не пластичен, не куётся.
  7. Сложен для сварки. Нужно иметь опыт работы по сварке чугуна.

Физические свойства чугуна (кратко)

При принятии решения об использовании чугуна для любого конкретного изделия важно понимать его основные механические свойства.

Даже если в структуре чугуна присутствуют много примесей, есть два важных компонента, обычно отсутствующих у стали, которые отвечают за основные характеристики чугуна.

Этими компонентами являются:

  • графит
  • фосфор

Присутствие графита, в частности, характерно для серого чугуна. Влияние графита на чисто механические свойства, как показано соотношением напряжений и деформаций, по существу является влиянием пустот. То есть стальная матрица, содержащая значительное количество пустот, распределенных как графит в чугуне, показала бы очень похожие характеристики напряженно-деформированного состояния.

Влияние фосфора является некоторым что менее важно, поскольку существует много марок отливок, в которых содержание фосфора намеренно поддерживается очень низким. То есть ниже 0-15 процентов. Тем не менее, основная масса отливок, производимых в мире, содержит фосфор в диапазоне от 0,2 до 1-2 процентов. А поскольку фосфор образует эвтектику с низкой температурой плавления, он склонен к сегрегации. В то же время в самой отливке фосфидная эвтектика имеет тенденцию образовывать хрупкую сетку, так что там, где важны ударопрочность и гидравлическая надежность, содержание фосфора обычно поддерживается как можно более низким.

Эвтектика — это понятие, под которым понимается пересечение поверхностей равновесия расплава с соответствующими фазами плавления.

Температура эвтектического плавления чугуна незначительно зависит от содержания кремния и обычно находится в диапазоне от 1135 °C до 1150 °C.

Производство чугуна (кратко)

Выплавка чугуна становится возможной благодаря использованию кокса, который служит топливом для сжигания. Кокс получают путем нагревания угля в отсутствие воздуха для удаления угольного газа (смеси газов, включая водород, метан и монооксид углерода). Используемый в доменной печи кокс действует как восстановитель. Известняк действует как флюс при производстве чугуна из железной руды. Он соединяется с большинством примесей таких как сера, кремний и марганец, образуя шлак, который сливается. Когда шлак затвердевает, он служит полезным побочным продуктом для дорожного строительства и производства цемента.

Чугун, получаемый из железной руды, является сырьём для производства других чёрных металлов, таких как кованое железо, мягкая сталь, легированные и углеродистые стали.


Кованое железо — самый чистый из всех чёрных металлов, содержащий около 99,9 процента железа. Из -за этого он обладает особыми качествами. Он легко поддаётся механической обработке. Он устойчив к коррозии, а его способность выдерживать удары делает его пригодным для использования в качестве тягового оборудования, муфт и скоб.

Пудлинговая печь используется в производстве кованого железа. Чугун, который является основой для загрузки печи, очищается от большинства его примесей (таких как углерод) путём перемешивания. Углерод выводится в виде газообразного монооксида углерода, который выходит наружу и сгорает на поверхности. Пастообразную массу железа — в виде шариков весом около 30 кг — удаляют, обрабатывают и скатывают в бруски или полосы.

Печь для производства чугуна называется доменной печью (рис. 2.2). Это высокая стальная конструкция высотой около 30 метров. Очаг имеет от 6 до 9 м в диаметре. Печь изнутри облицована огнеупорным кирпичом. Другие детали включают дымовую трубу, фурму,очаг, отверстия для отвода железа и шлака в бункер.

Загрузка

Сырьё (шихта) механически подаётся в бункер. Маленький колокол открывается, что позволяет материалу подаваться в отверстие, которое закрывается внизу большим раструбом. Когда шихта поступает в отверстие , маленький колпак закрывается, а большой колокол открывается, чтобы позволить ей поступать в печь. Это устройство предотвращает выход горячего газа и воздуха из печи.

Плавка

Известняк и железо начинают образовывать губчатую массу во второй зоне нагрева (550 °C). Это продолжается до третьей зоны нагрева (1150 °C), где происходит фактическое восстановление железной руды до железа. Образуется шлак и расплавленное железо, поскольку оно тяжелее, чем шлак, оседает на дне очага, а шлак плавает сверху. Шлак выпускается через отверстие шлакового затвора перед тем, как расплавленный чугун разливается в блоки в металлических формах, называемых чушками или доставляется непосредственно в сталеплавильные цеха.

Чугун получают путём удаления части углерода  и других элементов, таких как фосфор, кремний, сера и марганец, в литейном цехе в печи , называемой куполом. Это похоже на доменную печь, но меньшего размера. Он освещён огнём из кокса в очаге. Отобранный чугун, немного железного лома и небольшое количество известняка смешиваются и расплавляются в куполе. Пропорции предельного чугуна и лома определяют тип производимого чугуна. Воздух прогоняется через фурмы. Это приводит к сгоранию кокса и расплавленное железо оседает у основания горна. Шлак при этом удаляют, а полученный чугун сливают в ковши, после чего разливают в формы.

Область применения чугуна

Серый чугун применяется при производстве:

  • Водопроводные трубы
  • Цилиндры и поршни двигателей
  • Корпуса станков
  • Картеры
  • Станины станков
  • Крышки люков 

Белый чугун полезен своими качествами при изготовлении износостойких деталей:

  • Детали мельницы
  • Дробильное оборудование

Ковкий чугун не заменим в сфере запасных частей. Он охотно применяется при производстве:

  • Ступицы колес
  • Педали
  • Рычаги и общее оборудование
  • Тормозные колодки
  • Фитинги для рам велосипедов и мотоциклов
  • Распределительные валы, шестерни, муфты, корпуса осей
  • Трубопроводы для тяжелых условий эксплуатации
  • Коленчатые валы