Что такое чугун: состав и содержание углерода в сплаве. Чугун из чего делают?

Содержание углерода в чугуне может составлять от 2,14% до 6,67%. Современные технологии производства позволяют с высокой точностью контролировать концентрацию всех элементов в составе, снижая хрупкость и улучшая другие эксплуатационные характеристики.

Все о чугуне

Знать все о чугуне, что это такое и из чего его делают, настоятельно рекомендуется любому потребителю металлургической продукции. Стоит изучить информацию в ГОСТе, ведь сведения о приобретении этого металла не менее важны, чем определение чугунного сплава. Вы должны изучить природу, состав и нюансы производства, свойства сплава и тонкости его применения.

Как и сталь, чугун состоит из железа с небольшим количеством углерода, но разница в концентрации углерода не имеет предела. Сам процент составляет не менее 2,14%, часто несколько выше. Однако само определение включает некоторые другие металлы, перечень и количество которых перечислены отдельно. Окончательное решение принимает инженер-технолог в зависимости от желаемых свойств.

Во время затвердевания в печи чугун всегда образует эвтектику. Углеродная структура может состоять из цементита или графита. В зависимости от этого и содержащихся в нем примесей свойства конечного продукта меняются. В чугун могут быть добавлены марганец и легирующие добавки. Он также может быть сплавом железа с кремнием и углеродом, концентрация которого иногда превышает 6,67%.

В большинстве случаев, однако, содержание углерода составляет менее 4,5 %. Более высокий процент характерен для сплавов с особыми свойствами и особой категорией применения. Если добавляется менее 2,14 % углерода, то вместо чугуна получается сталь. Чугунные сплавы обладают как положительными, так и отрицательными свойствами. Они подразделяются на ряд более конкретных категорий в зависимости от параметров и области применения.

Особенности производства

Процессы производства чугуна постоянно совершенствуются. В большинстве случаев исходными материалами для этого процесса являются:

• железная руда различных типов;
• топливо (для проведения реакций и разогрева);
• разного рода флюсы.

Железо должно присутствовать в составе руды (либо в относительно чистом виде, либо в соединениях). Количество этого компонента и его химическое состояние оцениваются для определения перспектив коммерческого производства металла. Пропорции между основными плавильными элементами подбираются очень строго, с учетом нюансов технологического процесса и особенностей сырья. Оксиды и сульфиды железа, а также шлаки играют важную роль в практике чугунолитейного производства. Эти 3 класса соединений наиболее распространены во всех основных железорудных регионах.

В некоторых случаях металлурги используют красную, коричневую, сферулитовую и магнитную железную руду. Само железо выплавляется на топливе с более высокой теплотворной способностью. Это, наряду с ограничениями по содержанию серы, пористости и требованиям к прочности, делает печной кокс почти идеальной альтернативой. В редких случаях вместо него используется древесный уголь. Флотация добавляется для улучшения разделения отходов и золы.

В зависимости от состава и плавкости шлака меняется процесс плавки и состав чугуна. Руды заранее подготавливаются к плавке. Крупные фрагменты дробятся и измельчаются в специальных машинах. Фрагменты обычно должны иметь размер 3-10 см. Очень мелкие кусочки высыпаются в сита и отправляются на спекание при температуре 1100-1200 градусов.

Руда также промывается водой для удаления отходов. Затем породу сжигают, чтобы высушить ее и удалить накопленный углекислый газ. Одновременно с этим сжигается сера. В некоторых случаях используется магнитная обработка. На практике доменный процесс является одним из важнейших методов производства чугуна.

В доменных печах создаются очень высокие температуры. Из сырья производится сплав железа. Доменные газы и шлак извлекаются и отделяются в ходе процесса. С химической точки зрения правильно говорить о «восстановлении» железа из оксида углерода. Процесс протекает плавно, без резких скачков.

Некоторые компании используют водородное восстановление железа. Также используется сокращение твердого углерода или прямое сокращение. Высокопрочный чугун в основном производится путем карбонизации железа. Повышенное насыщение углеродом начинается при температуре 500 градусов Цельсия. После плавления и нагрева при высокой температуре расплавленный металл попадает под расплавленный кокс, что повышает эффективность карбонизации.

Процесс завершается ниже шлакового отверстия. На этом этапе соотношение углерода и железа определяется содержанием других компонентов.

Эффективность карбонизации повышается при добавлении марганца. Тот же эффект достигается при добавлении хрома, ванадия и титана. Однако в процессе плавки восстанавливается не только железо, но и в шихту добавляются хром, марганец, свинец, цинк и т.д.

Характеристики и свойства

На чугун распространяется ГОСТ 805 с 1995 г. Стандарт содержит рекомендации по содержанию определенных веществ. Массовая доля меди не должна превышать 0,3 %. Коэффициент разрушения в чугуне достигает максимума в 2 %. Вес брусьев составляет от 18 до 55 кг.

Теплоемкость чугунного сплава может быть определена по правилу вытеснения. Однако его подробное описание бессмысленно — технологам оно уже известно, а для остальных это пустая информация. Теплопроводность и теплопроницаемость образцов из чугуна в первом приближении одинаковы. Чугун обычно плавится при температуре 1200 градусов Цельсия, в то время как сталь имеет температуру плавления около 1500 градусов Цельсия. Механические свойства продукта характеризуются повышенной прочностью, но низкой устойчивостью к динамическим нагрузкам.

Благодаря свойствам кристаллической решетки, чугун является хрупким. Его удельный вес определяется количеством связанного углерода и степенью пористости. Присутствие других примесей оказывает значительное влияние. Прочность на разрыв и пластичность определяются структурой решетки и распределением молекулярных групп. Упругость определяется формой графита. Твердость зависит от количества и размера графитовых включений и дисперсности перлита.

Коррозионная стойкость сплава определяется его структурой. Внешняя среда также важна. Сопротивление между графитом и ферритом составляет 0,56 В. Дисперсность и коррозионная стойкость обратно пропорциональны. Присутствие марганца замедляет графитизацию, сера ухудшает чугун и механические свойства, а фосфор улучшает качество литья.

Химический состав чугуна

Чугун — это сплав железа и углерода, в котором содержание углерода составляет не менее 2,14 % и не более 4,5 %. Углерод содержится в чугуне в виде цементита или графита. Если содержание углерода составляет менее 2,14 %, сплав называется сталью.

Известно, что сплав чугуна впервые был произведен в Китае в шестом веке. Секрет его производства появился в Европе в 14 веке, а в России его состав был усовершенствован только в 17 веке. За все это время природа чугуна не изменилась.

Высококачественный материал производится на литейном заводе братьев Демидовых на Урале.

На протяжении веков он не только не утратил своего значения, но и приобрел еще более широкий спектр применения.

Разновидности материала

Существуют различные типы чугуна, например, ободковое литье и литейный чугун. Первый используется при производстве стали методом кислородной конверсии. Кремния и марганца в этом сплаве очень мало. Литейный чугун более широко используется в промышленности и производстве. Он также подразделяется на следующие типы:

• Белый чугун — в нем углерод представляет собой карбид железа. При этом на его разломе видно белый отлив, откуда и пошло его название. В чистом виде он не используется. Применяется в процессе производства ковкого чугуна.
• Для серого чугуна характерен серебристый отлив на изломе. Он имеет широкую сферу применения и отлично обрабатывается при помощи резцов.
• Высокопрочный сплав используется для повышения прочностных характеристик изготавливаемого материала. Его получают из серого чугуна путем добавления к его массе примеси магния.
• Ковкий чугун также является одной из разновидностей серого чугуна. Его название говорит о том, что он обладает повышенной пластичностью, а получают его из белого чугуна при помощи отжига.
• Половинчатый — обладает специальными свойствами. Часть углерода в его составе находится в виде графита, остальная часть — в виде цементита.

Особенности сплава

Главная особенность чугуна заключается в процессе его изготовления. Дело в том, что различные виды этого сплава имеют температуру плавления 1200ºC, в то время как сталь имеет температуру плавления 1500ºC. На этот фактор влияет очень высокое содержание углерода. Атомы железа и углерода не имеют тесной связи.

Во время плавления атомы углерода не могут быть полностью включены в молекулярную решетку железа, что делает сплав железа хрупким. По этой причине его не используют для изготовления деталей, которые подвергаются постоянным нагрузкам.

Материал относится к черной металлургии и имеет схожие со сталью свойства. Чугунные и стальные изделия широко используются в повседневной жизни, и это использование вполне оправдано.

Если сравнить свойства этих металлов, то можно сделать следующие выводы:

1. Стоимость стальных изделий выше стоимости чугунных.
2. Различия в цвете: чугун темный и матовый, а сталь — светлая и блестящая.
3. Сталь хуже поддается литью, но, в отличие от чугуна, легче поддается ковке и сварке.
4. Сталь обладает большей прочностью, нежели чугунный сплав.
5. Сталь тяжелее по весу.
6. В ней содержание углерода ниже, чем в чугуне.

Свойства и характеристики

1. Физическими. К этим характеристикам относятся: удельный вес, коэффициент линейного расширения, действительная усадка. Удельный вес меняется в зависимости от содержания в материале углерода.
2. Тепловыми. Теплопроводность материала принята рассчитывать по правилу смещения. Для твердого чугуна объемная теплоемкость равна 1 кал/см 3* о С. Если чугун жидкий, то она равна примерно 1,5 кал/см 3 * о С.
3. Механическими. Эти свойства зависят от самой основы, а так же от размеров и формы графита. Самым прочным считается серый чугун с перлитной основой, а самым пластичным — с ферритной основой. Максимальное снижение прочности наблюдается при форме графита «пластинка», а минимальное – при форме «шар».
4. Гидродинамическими. Вязкость в чугуне меняется в зависимости от наличия марганца и серы. Так же она резко возрастает когда температура чугуна переходит точку начала затвердевания.
5. Технологическими. Чугун обладает отличными литейными свойствами, стойкости к износу и вибрации.
6. Химическими. По электродному потенциалу (по мере убывания) структурные составляющие чугуна располагаются в следующем виде: цементит — фосфидная эвтектика — феррит.

Различия в химическом составе и свойствах чугуна и стали.

На свойства чугуна влияют некоторые примеси.

• Так добавление серы позволяет существенно уменьшить жидкотекучесть и снизить тугоплавкость.
• Добавление фосфора одновременно дает возможность создать изделие сложной формы, но не дает ему повышенной прочности.
• Примесь в виде кремния делает температуру плавления не такой высокой и значительно улучшает свойства литья. Различное процентное содержания кремния позволяет создать разный чугун: от чисто-белого до ферритного.
• Марганец ухудшает литейные и технологические свойства, но повышает прочность и твердость.

Помимо этих сплавов, чугун может содержать и другие компоненты. В этом случае такие материалы называются легированными. Чаще всего в чугун добавляют титан, хром, алюминий, никель и медь.

Читайте далее, чтобы узнать, какие элементы входят в химический состав чугуна.

В следующем видеоролике объясняется, как сваривать чугун:

Структура и состав

Если рассматривать чугун как конструкционный материал, то он представляет собой металлическую полость с включениями графита. Структура чугуна в основном состоит из перлита, лентебурита и нодулярного железа. В каждом типе чугуна эти элементы преобладают в разных пропорциях или отсутствуют вовсе.

По структуре чугун может быть:

• перлитные,
• ферритные и
• ферритно-перлитный.

Графит встречается в форме в этом материале:

• Шаровидная. Графит приобретает такую форму при добавлении присадки магния. Шаровидная форма графита характерна для высокопрочных чугунов.
• Пластичная. Графит похож на форму лепестков. В такой виде графит присутствует в обычном чугуне. Этот чугун обладает повышенными свойствами пластичности.
• Хлопьевидный. Графит приобретает такую форму в результате отжига белого чугуна. Графит в хлопьевидном виде находится у ковкого чугуна.
• Вермикулярный. Графит названной форма находится у серого чугуна. Она была разработана специально для улучшения пластичных и прочих свойств.

Производство металла

Чугун производится в специальных доменных печах. Самым важным сырьем для производства чугуна является железная руда. Технологический процесс заключается в восстановлении оксидов железа из руды для получения другого материала — чугуна. Для производства чугуна используются следующие виды топлива: Кокс, природный газ и тепловой антрацит.

После восстановления руды железо находится в твердой форме. Затем он попадает в специальную зону печи (пар), где растворяется углерод, содержащийся в железе. В результате получается жидкий чугун, который опускается на дно печи.

Цена чугуна (за 1 кг) зависит от содержания углерода, наличия дополнительных примесей и легирующих элементов. Ориентировочная цена одной тонны чугуна составит 8000 рублей.

Технология получения

Источником сырья для сталелитейных заводов является железная руда (горная порода, преобладающим элементом которой является железо).

Руда транспортируется на перерабатывающие заводы, где из сырья удаляется часть «отходов».

Полученный таким образом материал направляется на плавильный завод.

Здесь его загружают в доменные печи:

• Добавляют топливо – кокс (продукт обработки каменного угля), известняк, брикетированную угольную пыль.
• Плавят при высоких температурах.
• В процессе восстановления из оксидов получают железо с внедренным в его структуру углеродом.

В процессе плавки образуется чугун и шлак (смесь золы топлива, неиспользованного флюса и других продуктов).

При необходимости добавляются лигатуры для определения физических и химических свойств материала.

Производство не сложное, но экологически грязное.

Достоинства и недостатки

Основными преимуществами чугунных сплавов на национальном уровне являются: Нетоксичность, биосовместимость, гигиеничность и термостойкость. Это означает, что кастрюли и другая посуда из чугуна не повреждаются кислотно-щелочными соединениями (например, при приготовлении борща), легко моются и долго остаются горячими.

Для промышленников первостепенное значение имеют другие преимущества:

• Простой, экономичный способ получения.
• Прочность, сохранение потребительских характеристик продукции десятилетиями.
• Возможность изготовления широкого ассортимента.

Кроме того, выгодные цены на все товары — от кастрюль и сковородок до декоративных столешниц.

• Хрупкость.
• Трудность сваривания.
• Беззащитность перед коррозией.
• Тяжеловесность изделий.

Для транспортировки, сборки и обслуживания изделий часто требуются особые условия.

При сварке, например, детали заранее нагреваются, выбирается материал, режим. То есть, используется газовое оборудование, покрытые или угольные электроды и порошковая проволока.

Классификация

Чугун классифицируется по различным критериям:

• По габаритам и форме вкраплений графита. Слоистые, сфероидные, вермикулярные, хлопья.
• По виду углерода. Графитовые, цементитовые.
• По технологии выработки. Серые, белые, передельные.
• По наличию присадок. Рядовые и легированные. Легированные – это сплавы чугуна с металлами (молибден, никель, хром, титан, другие). Сплавы с такими металлами придают изделиям пластичность, стойкость к износу, разрушению, коррозии.

Характеристики продукта определяются на этапе производства.

Маркировка чугуна

В промышленности различают следующие марки чугуна:

• передельный чугун — П1, П2;
• передельный чугун для отливок (передельно-литейный) — ПЛ1, ПЛ2;
• передельный фосфористый чугун — ПФ1, ПФ2, ПФ3;
• передельный высококачественный чугун — ПВК1, ПВК2, ПВК3;
• чугун с пластинчатым графитом — СЧ (цифры после букв «СЧ», обозначают величину временного сопротивления разрыву в кгс/мм).

• антифрикционный серый — АЧС;
• антифрикционный высокопрочный — АЧВ;
• антифрикционный ковкий — АЧК;
• чугун с шаровидным графитом для отливок — ВЧ (цифры после букв «ВЧ» означают временное сопротивление разрыву в кгс/мм и относительное удлинение (%);
• чугун легированный со специальными свойствами — Ч.

Технология производства

Чугун выплавлялся в течение нескольких десятилетий благодаря своим уникальным эксплуатационным характеристикам. Большое количество марок сплавов требует применения специальных правил маркировки. Чугун маркируется следующим образом:

1. Литейные обозначаются буквой Л.
2. Серый получил широкое распространение, для его обозначения применяется сочетание букв «СЧ».
3. Ковкий обозначают КЧ.
4. Предельный или белый обозначают буквой П.
5. Антифрикционный или серый обозначают АЧС.
6. Легированные чугуны могут обладать самым различным химическим составом и обозначаются буквой «Ч».

Технология производства чугуна включает в себя несколько этапов для достижения желаемой структуры. Рассматривая процесс производства чугуна, необходимо отметить следующие моменты:

1. Производство проводится в специальных доменных печах.
2. Легированный и жаростойкий чугун могут получаться при использовании в качестве сырья железной руды.
3. Технология представлена в восстановлении оксидов железа руды. В результате перестроения кристаллической решетки и изменения структуры на выходе получается материал, который называют чугуном.
4. Рассматривая способы производства, отметим, что особенности технологии также заключаются в применяемых материалах – коксах. Под коксом подразумевают природный газ или термоантрацит, выступающие в качестве топлива.
5. Изготовление чугуна предусматривает отпуск железа в твердой форме при применении специальной печи. На данном этапе получается жидкий чугун.

Оборудование, используемое для производства чугуна, может сильно различаться. Кроме того, используемая технология производства в значительной степени определяет тип производимого материала. Примером может служить производство BCI, которое воспроизводит структуру необычной формы.

Разновидности чугуна

Существует несколько вариантов этого материала. Классификация чугуна в значительной степени зависит от структуры и химического состава. Различают следующие виды чугуна:

1. Серый. Эта разновидность материала характеризуется низкой пластичностью и высокой вязкостью, а также хорошей обрабатываемостью резанием. В составе углерод содержится в виде графита. Область применения – машиностроение; производство деталей, работающих на износ. Как показывает практика, концентрация фосфора может варьироваться в достаточно большом диапазоне: от 0,3 до 1,2%. За счет особого химического состава материал обладает высокой текучестью и часто применяется в художественном литье. Антифрикционный чугун обходится в относительно невысокую стоимость, что также определяет его широкое распространение.
2. Белый. За счет того, что в этом составе углерод представлен в качестве цементита, структура характеризуется чрезвычайной хрупкостью и повышенной твердостью, а также низкими литейными свойствами и плохой обрабатываемостью резанием. Стоит учитывать, что белый чугун применяется для переделки в сталь или изготовлении ковкого. Очень часто его называют предельным.
3. Половинчатый характеризуется повышенной устойчивостью к износу, что связано с распределением углерода на цементитную и свободную основу. Часто эта разновидность материала применяется в машиностроении и станкостроении.
4. Легированный. Для того чтобы придать особые свойства чугуну также проводится его легирование. Легированный чугун обладает повышенной износостойкостью, коррозионной стойкостью за счет включения в состав никеля и хрома, а также меди. Подобные варианты исполнения чугуна получают свое название в зависимости от того, как легирующий элемент использовался при их изготовлении.
5. Высокопрочный чугун производится путем введения в состав жидкого серого чугуна различных элементов, к примеру, магния и кальция. В результате легирования меняется форма графита – он напоминает шар и при этом не меняет кристаллическую решетку. Стоит учитывать, что по своим свойствам этот металл напоминает углеродистую сталь, применяется, в основном, при изготовлении различных износостойких деталей.
6. Ковкий. Получают его при переплавке белого чугуна, который следует нагреть до высокой температуры и выдерживать в подобном состоянии. В некоторых случаях для придания составу особых качеств проводится добавление легирующих элементов. Основными свойствами можно назвать высокую вязкость и повышенную степень пластичности. Получил широкое распространение в машиностроительной промышленности.
7. Специальный. Представляет собой сплав, в который входит большое количество марганца и кремния. Зачастую применяется для удаления кислорода из стали при его производстве или переплавке, за счет чего понижается температура плавления.

Каждый вид чугуна имеет свою специфическую структуру и химический состав, которые определяют область его применения.

Применение

Благодаря своим особым физико-механическим свойствам чугун может применяться в широком спектре областей:

1. Для производства различных деталей в машиностроительной отрасли. На протяжении многих лет именно этот сплав применяется при изготовлении самых различных деталей для двигателя внутреннего сгорания. При этом автопроизводители проводят изменение основных свойств материала путем его легирования, что необходимо для достижения уникальных качеств. Кроме этого, большое распространение получили тормозные колодки из данного сплава.
2. Изделия из чугуна могут выдерживать воздействие низкой температуры. Поэтому материал применяется при производстве техники и инструментов, которые эксплуатируются в жестких климатических условиях.
3. Ценится чугун в металлургической области. Это связано с невысокой стоимостью, которая во многом зависит от концентрации углерода и особенностей получаемой структуры. Высокие литейные качества также делают материал более привлекательным. Получаемые изделия характеризуются высокой прочностью и износостойкостью.
4. На протяжении нескольких последних десятилетий рассматриваемый сплав широко применяется при изготовлении сантехнического оборудования. Это связано с высокими антикоррозионными способностями, а также возможностью получения изделий самой различной формы. Примером можно назвать чугунные ванны и радиаторы, различные трубы, батареи и мойки. Несмотря на появление материалов, которые могли бы заменить чугун, подобные изделия пользуются большой популярностью. Это связано с тем, что они сохраняют первозданный вид на протяжении длительного периода эксплуатации.
5. Применяется сплав и для изготовления различных декоративных элементов, что связано с высокими литейными качествами. Примером можно назвать решетку для перил, различные статуэтки и многое другое.

Чугунные сковородыЧугунные радиаторы

Кроме того, область применения зависит от следующих свойств соответствующего материала:

1. Некоторые марки обладают высокой прочностью, которая характерна для стали. Именно поэтому материал применяется даже после появления современных сплавов.
2. Чугунные изделия могут на протяжении длительного периода сохранять тепло. При этом тепловая энергия может равномерно распространяться по материалу. Эти качества стали использоваться при изготовлении отопительных радиаторов или других подобных изделий.
3. Принято считать, что чугун – экологически чистый материал. Именно поэтому его часто применяют при изготовлении различной посуды, к примеру, казана.
4. Высокая стойкость к воздействию кислотно-щелочной среды.
5. Высокая гигиеничность, так как все загрязняющие вещества могут легко удаляться с поверхности.
6. Рассматриваемый материал характеризуется достаточно длительным сроком службы при условии соблюдения рекомендаций по эксплуатации.
7. Входящие в состав химические вещества не могут нанести вреда здоровью.

Таким образом, давно отработанная технология производства этого материала остается практически неизменной на протяжении многих лет. Это объясняется тем, что стало возможным производить большие количества расплавленного сплава при относительно низких затратах. В настоящее время из лома часто делают отходы, что еще больше снижает стоимость продукта.

  Изразцы – что это такое, какие бывают и как делают изразцовую плитку для печей. Изразец что это такое?