В каком виде углерод находится чугуне. Что такое чугун? Свойства, состав, получение и применение

Сплавы железа с углеродом, в которых содержание углерода более 1,7% называются чугунами.

Чугуны различаются по структуре, способам изготовления, химическому составу и назначению.
По структуре чугуны бывают серые, белые и ковкие. По способам изготовления-обыкновенные и модифицированные.
По химическому составу чугуны различают не легированные и легированные, т. е. такие, в составе которых имеются специальные примеси.

Серый чугун

1. феррито-графнтовый,
2. феррито-дерлито-графитовый и
3. перлито-графитовый.

Если серый чугун быстро охлаждать после плавления, то он отбеливается, т. е. становится очень хрупким и твердым. Серый чугун в несколько раз лучше работает на сжатие чем на растяжение.

Серый чугун достаточно хорошо сваривается с применением предварительного подогрева и в качестве присадочного мате риала специальных чугунных стержней с повышенным содержанием углерода и кремния. Сварка без предварительного подогрев затруднена вследствие отбеливания чугуна в зонах шва.

Белый чугун

Сварка белого чугуна весьма затруднительна в связи с образованием трещин при нагреве и охлаждении, а также из-за неоднородности структуры, образующейся в месте сварки.

Ковкий чугун

При американском способе томление производится в песке при температуре 800-850°С. При этом углерод из химически связанного состояния переходит в свободное состояние в виде графита, располагаясь между зёрнами чистого железа. Чугун приобретает вязкость, почему и называется ковким.

При европейском способе томление отливок производится в железной руде при температуре 850-950°. При этом углерод из химически связанного состояния с поверхности отливок переходит в железную руду и таким путём поверхность отливок обезуглероживается и становится мягкой, почему и чугун называется ковким, хотя сердцевина остается хрупкой.

В обозначениях марок ковкого чугуна после букв пишется число, показывающее среднюю величину предела прочности при разрыве в кг/мм2, а затем число, показывающее удлинение в %.

Например КЧ37-12 обозначает ковкий чугун, с пределом прочности, равным 37 кг/мм2, и удлинением 12%.
Сварка ковкого чугуна сопряжена с затруднениями в связи с отбеливанием чугуна в зоне шва.

Модифицированный чугун

Модифицирование заключается в том, что при плавлении чугуна в жидкий металл добавляется некоторое количество присадок, способствующих выделению углерода в виде графита при затвердевании и охлаждении. Этот процесс модификации при одинаковом химическом составе чугуна значительно повышает механические свойства чугуна и является весьма важным. Обозначение марок модифицированного чугуна подобно обозначению марок серого чугуна.

Чугунные сплавы являются неотъемлемой частью человеческой жизни. Его применение распространилось от тяжёлой промышленности до произведений искусства. Давайте разберёмся, в чём же особенность чугуна, почему он настолько универсален и незаменим.

Чугун – это сплав, основными элементами которого является железо и углерод (более 2, 14 %). Механические и литейные свойства чугуна определяются концентрацией углерода и наличием прочих химических элементов.

Если говорить о чугуне в целом и в сравнении с прочими сплавами, он отличается высокой жаростойкостью, теплоёмкостью, устойчивостью к коррозии, и т.д. Положительные характеристики сплава делают его применение необходимостью как в тяжёлой промышленности, так и в быту.

Выплавка чугуна осуществляется в доменных печах, вагранках и электропечах.

В процессе нагрева в печах проходят химические реакции, позволяющие создавать чугун различных марок с различными механическими и литейными свойствами.

В вагранках(только серый) и электропечах обычно переплавляют отливки в изделия, что с точки зрения затраты топлива более экономично, да и в целом более практично если завод занимается изготовлением изделий, а не производством чугуна разных марок.

Виды чугунов:

На физические и химические свойства чугуна влияют его химический состав и вид термической обработки.

Белые чугуны – получаются в процессе ускоренного охлаждения.

Белые чугуны отличаются высокой твёрдостью и хрупкостью. Тяжело поддаётся резке, в процессе откалываются куски. В связи с этим в большей степени используются не как конструктивный металл, а как заготовка для производства ковкого и иных марок чугуна.

Производные белых чугунов:

Ковкие чугуны получаются в результате обработки (отжига) белого чугуна.

Название ковкий никак не связано с процессом деформации (ковки) металла. Историки утверждают, что подобное название появилось вследствие того, что из чугуна с характерными свойствами делали подковы.

Ковкий чугун обладает высокими механическими свойствами, такими как прочность, износостойкость и т.д.. Благодаря чему металл активно используется в автомобильной промышленности, сельскохозяйственном машиностроении при производстве мелких деталей

Серые чугуны получаются при медленном охлаждении.

Серые чугуны отличаются прочностью, более высокой пластичностью, нежели белые, что делает такой чугун хорошим конструкционным материалом для различных деталей и позволяет использовать для создания марок чугуна с необходимыми для той или иной отрасли свойствами.

Области применения серого чугуна: тяжёлое машиностроение, автомобильная и сельскохозяйственная промышленность, станкостроение, бытовое использование.

Производные серых чугунов:

Высокопрочные чугуны получаются в результате введения 0,5 % магния в серый чугун перед разливкой. Процесс называется модифицированим.

Литейные свойства высокопрочного чугуна позволяют создавать изделия ответственного назначения (детали станков, автомобилей повышенной грузоподъёмности и т.д.). Высокопрочный чугун имеет ряд преимущественных характеристик перед сталью, имея меньшую плотность (> 8-10%), что позволяет снизить массу деталей.

В результате средней между белым и серым чугуном интенсивности охлаждения образуются половинчатые чугуны . Как следствие, имеющие промежуточные свойства и структуру металла.

Помимо изменения химического состава металла, регулируя интенсивность его охлаждения возможно получать отливки с различным уровнем прочности, пластичности и прочими механическими свойствами чугуна.

Чугуны со специальными свойствами:

Подобной классификации подвергаются белые и серые чугуны, отливаемые с применением определённой технологии для дальнейшего использования в определённых условиях или по специальному назначению. К таким относятся:

• Антифрикционные чугуны . Применяются для изготовления деталей, используемых в особо нагруженных узлах трения (корпус подшипников, втулки, вкладыши, валы)
• Износостойкие чугуны. Применяются в отраслях с высоким уровнем воздействия внешней среды: детали агрегатов для азотной промышленности, насосного оборудования, печного литья (дверки, колосники и т.д.).
• Жаростойкий чугун. Применяется для изготовления деталей, подверженных интенсивному воздействию высоких температур: печное литьё, в частности колосники, детали коксохимического оборудования, трубокомплексов, газотурбинных двигателей и т.д.
• Коррозионностойкие чугуны . Применяются для изготовления деталей, используемых в агрессивных средах. В большей степени химическая и авиационная промышленность.
• Жаропрочные чугуны . Благодаря высокой прочности при нормальных и повышенных температурах применяется для изготовления деталей арматуры и котлов, промышленных колосниковых решёток, обжиговых печей.

На сегодняшний день простое перечисление деталей, которые изготавливают из чугуна, составит приличную книгу. Сложно переоценить значимость чугуна и изделий из него в промышленности и быту не только нашей страны, но и всего мира.

Родом из Азии. В слове «чугун » лингвисты усматривают тюркские корни. Так, к примеру, в азербайджанском языке «cugun» — обозначение для . Однако, литье чугуна – это работа не только с феррумом, но и углеродом.

Последнего в от 2-х до 4,5%. Состав создали в Китае в 6-ом веке. Европа переняла секрет производства в 14-ом. В России состав чугуна довели до совершенства лишь к 17-му.

Лучший товар поставлял литейный завод братьев Демидовых. Он расположился на Урале. За века чугун не утратил актуальности. Широкий спектр применения сплава обеспечивают его характеристики. С них и начнем.

Химические и физические свойства чугуна

Кроме железа и углерода материал чугун содержит и другие примеси. Так, плавку улучшают ванадий молибден. Для прочности добавляют , марганец, серу, фосфор. Примесь каждого элемента меньше 1%. Тем не менее, без нее, чугун еще более хрупок.

Солидная примесь углерода лишает сплав пластичности, вязкости. Вот сталь, в которой 6-го элемента менее 2%, ими отличается. Зачем же тогда добавляют «лишний» углерод в чугуновые трубы?

Цель – добиться исключительной твердости. По она равна 7,5 баллов. Это больше, чем у кварца. До алмаза остается всего 2,5 балла.

Кроме твердости, неизменным свойством чугуна является температура его плавления – 1200 градусов Цельсия. В остальном, характеристики сплава зависят от его типа.

Основные виды чугуна : белый, серый, высокопрочный, ковкий и половинчатый. В первом сплаве весь углерод связан с железом. Fe 3 C называют цементитом. Он делает железо белым на изломе.

Отсюда и название чугуна. Разновидность материала особенно тверда, но и особенно хрупка, плохо поддается резке. В основном, из белого чугуна отливают шары. Их используют для перемалывания промышленного сырья.

Серый чугун содержит углерод не только в виде цементита, но и . Присутствие одновременно обеих форм именуют половинчатым чугуном. О роли в нем цементита сказано.

Графит же придает сплаву характерный цвет и добавляет пластичности. Серый чугун многокомпонентный. Кроме добавки углерода солидна примесь кремния – от 1,2 до 3,6%. В состав входят, так же, , и .

Первая – вредная примесь, от которой не удается избавиться в процессе производства. А вот фосфор и марганец способствуют отбеливанию в поверхностных слоях. Так удается упрочнить оболочку деталей, улучшив при этом их пластичность.

На свойства чугуна влияет не только состав, но и скорость охлаждения. Она меняет структуру металла. Белый сплав охлаждают быстрее. Серый чугун , напротив, формируют медленно.

Высокопрочный чугун содержит углерод в виде графита, причем шарообразного. Соотношение его поверхности к объему минимально. Это делает материал однородным и прочным.

По свойствам сплав близок к литой углеродистой стали. При этом, литейные свойства высокопрочного чугуна лучше, он легко поддается резке и сохраняет износостойкость.

Купить чугун ковкий стремятся вовсе не для того, чтобы его ковать. Этой процедуре не подается ни один из видов сплава. Название указывает лишь на то, что состав поддается обработке давлением, то есть материал наиболее пластичен.

Работают же с ним, как правило, методом . Углерод в ковкой смеси графитизирован. Поэтому, марганца в составе сплава минимум. Элемент препятствует графитизации. Немного и кремния. На нижней планке в 2%, так же, держится углерод.

Марки чугуна список в разы шире перечня его видов. Только у ковкого сплава 8 типов. У них разный состав, или же, процентное соотношение компонентов. Так, марка КЧ 30-6 содержит от 2,7 до 3,1% углерода, а в КЧ 37-12 его не больше 2,5%.

Применение чугуна

Твердость в сочетании с хорошими литейными свойствами делают сплав идеальным для создания прочных деталей сложной формы, к примеру, оградок.

Такие можно увидеть на набережных Красноярска, Иркутска, Санкт-Петербурга. В северной столицы ковка чугуна применена и при создании ворот Зимнего дворца.

Лом чугуна переплавляют, так же, на станины промышленных станков. Из прочного материала делают корпусные детали, посуду. Сковорода из чугуна выбирается при готовке блюд, требующих длительного томления.

Посуда долго нагревается, зато, отлично аккумулирует тепло. Жар распределяется равномерно. К тому же, чугун наделен антипригарными свойствами.

Они, как говориться, от природы. Особое покрытие здесь не причем. Поэтому, старинные сковороды не выходят из обихода, не смотря на модные модели с тефлоном.

Не исчезают с рынка и ванны из чугуна . Они тяжелы, но долговечны. К тому же, тяжесть – не только минус. За счет массы устраняются незаметные для человека вибрации, разрушающие линию стыка ванны со стенами. Микротрещины чреваты появлением в помещении плесени и грибка.

Среди сантехнического оборудования чугунными бывают и раковины, трубы, фитинги. Последние детали используют для соединения труб. Такая продукция почти изжила себя из-за сложности не только монтажа, но и демонтажа.

Требуется сварка чугуна . Это трудоемкая процедура, требующая сноровки. Соединить же современные трубы из пластика можно специальным паяльником, потратив в разы меньше времени и сил.

Производство чугуна направлено и на отрасль автомобилестроения. Прочный и износостойкий сплав идет на блоки цилиндров от двигателей внутреннего сгорания.

В дизельных же моторах из смеси железа с углеродом делают коленчатые валы. Как правило, чугун используют в бюджетных авто или специализированных, промышленных моделях.

Детали надежны, дешевы, но тяжелы. Сейчас, как известно, производители стремятся уменьшить массу машин. Это и сокращает долю чугунных элементов в современных автомобилях.

Из сплава феррума и углерода производили всем известные буржуйки. Есть и современные печи из чугуна . И покупают не только из-за ценника. не деформируются при нагреве, что случается с моделями из других сплавов.

На высоте и теплопроводность чугунных изделий. Это делает их удобными для редкоотапливаемых площадей, или же помещений, требующих быстрого нагрева.

Добыча чугуна

Какой бы чугун ни был, это сплав. Добыть его невозможно. Смесь производят, а добывают компоненты для нее. В случае с чугуном, основной элемент – железо. Берут руды с ним и плавят в доменных печах. Топливо – каменный уголь в виде кокса. Иногда, берут мазут или природный газ.

Почему переплавляют руду, а не чистый металл? Потому что феррум не бывает самородным, всегда связан с другими элементами. Среди них и та самая пресловутая сера, от которой не удается полностью избавиться в ходе переплавки. Но, в железных рудах есть и полезные примеси – те же хром и марганец.

Руда требует подготовки – дробления и грохочения, то есть разделения по размеру частиц. Лишь потом сырье загружается в печь вместе с . В ходе окислительно-восстановительной реакции получается чугун.

Железо восстанавливается и оксидов. При этом, сами восстановители окисляются. Процесс протекает лучше и быстрее в кислородной среде. Поэтому, газ специально подается в домену печь до конца реакции.

Цена чугуна

На чугун цена зависит от вида , производителя. Чистый сплав не продается, лишь продукция из него. Так, сковорода обходится, в среднем, в 4000 рублей. Если же хочется казан для плова объемом в 225 литров, придется выложить 30-40 000.

10-литровый образец стоит около 7000 рублей. За кило дроби в 0,8 миллиметров просят около 2300 рублей. Простейшая печь-буржуйка обойдется покупателю минимум в 4500 рублей. Отопительные котлы из прочного сплава опустошат карман не меньше, чем на 30 000.

Основная же масса моделей стоит в районе 100-150 000 рублей. За ванны просят от 6000. За чугунный радиатор придется выложить от 650-ти рублей. Дешевле всего . Килограмм чугуна оценивают всего в 7-10 рублей.

Чугун это сплав железа и углерода (количество которого составляет более 2,14%), характеризуется эвтектическим образованиями. Углерод в чугуне находится в виде графита и цементита. В зависимости от форм графита, и количества цементита чугун разделяют на: белый и серый, ковкий и высокопрочный чугун. Хим. состав чугуна содержит в себе постоянные примеси (Si, Mn, PS, P), а в редких случаях также присутствуют легирующие элементы как(> Cr, Ni, V, Al и др.). Обычно чугун хрупкий. Большому распространению чугуна в машиностроении способствовало наличие хороших литейных, а также прочность и твердость. Мировое производство чугуна до кризиса 2008-м составило более 953 млн. тонн (в частности в Китае выплавили- 477 млн. тонн).

Химический состав чугуна и его виды

Белые и серые виды чугуна различают по цвету излома, который обусловливается структурой углерода в чугуне как карбида железа или же свободного графита, высокопрочный чугун с шаровидным графитом, чугуны с вермикулярным графитом называются ковкими. Углерод в белом чугуне находится в виде цементита, а в сером чугуне- в находится в виде графита.

Состав чугуна белого

В белом чугуне весь присутствующий углерод прибывает в состоянии цементита. В структуру белого чугуна входит - перлит, ледебурит, также цементит. Через светлый оттенок чугун получил название белый.

Состав серого чугуна и его структура

Серый чугун - вид чугуна, который, не содержит ледебурита, в нем весь углерод (или часть углерода) находится в виде графита. Название получил благодаря серому цвету поверхности излома.

Принадлежит наряду с белым чугуном, к основным видам чугуна. В состав серого чугуна, кроме железа и углерода (2,5 ... 4,5%), входит кремний около(0,8 ... 4,5%), а также марганец (0,1 ... 1,2%), и фосфор (0 , 02 ... 0,3%) с серой (0,02 ... 0,15%). Предел прочности серых чугунов при растяжении - 100 ... 350 МПа, сжатия - 450 ... 1400 МПа, твердость по Бринеллю - 143 ... 289 HB.

Основная характеристика серого чугуна низкое сопротивление отрыва, достаточно низкая ударная вязкость. Поэтому чем мельче есть графитовые пластины и чем сильнее пластины изолированы одна от одной, тем выше прочные свойства чугуна при одинаковой металлической основе. Данная структура получается модифицированием, процесс введения в жидкий сплав метала небольших количеств веществ, которые называют модификаторами (ферросилиций и силикокальций)

Ковкий чугун, процесс получения

Ковкий чугун получается в результате длительного отжига белого чугуна, после данного процесса образуется графит хлопьевидной формы. Металлическое основание ковкого чугуна содержит: феррит и реже перлит.

Структура высокопрочного чугуна

В своей структуре высокопрочный чугун имеет шаровидный графит, он получается в процессе кристаллизации материала. Шаровидный графит очень ослабляет металлическую основу так сильно как табличный, не концентратором напряжений.

Структурные характеристики половинчатого чугуна

Часть углерода в половинчатом чугуне (более 0,8%) находится в виды цементита. Основные структурные составляющие данного чугуна это- перлит, ледебурит и плоский графит.

Классификация чугунов

От хим состава чугуна и содержания углерода серый чугун называют доэвтектическим имеет (2,14-4,3% углерода),и эвтектическим имеет(4,3%) заэвтектическим имеет(4,3-6,67%). Состав сплава сильно влияет на структуру конечного материала.

В промышленности разные виды чугуна имеют такие маркировки:

• чугун-П1, П2;
• чугун для отливок используют-ПЛ1, ПЛ2,
• перерабатывающий фосфористый вид чугуна-ПФ1, ПФ2, ПФ3,
• перерабатывающий высококачественный вид чугуна-ПВК1, ПВК2, ПВК3;
• чугун имеющий пластинчатый графит-СЧ (цифры идущие после букв "> СЧ", обозначают величину временного сопротивления разрыва (вкгс / мм);

Антифрикционного чугуна виды:

• антифрикционный серый-АЧС,
• антифрикционный высокопрочный вид-АЧВ,
• антифрикционный ковкий вид-АЧК;

Чугун, имеющий шаровидный графит для отливок - ВЧ (цифры идущие после букв "ВЧ" означают временное сопротивление разрыва вкгс / мм;

В начале 16 века чугун начали выплавлять и в Российской империи. Плавка чугуна росла очень большими темпами и за время правления Петра 1 Россия была лидером по выплавке металла в Европе. Со временем литейные цеха начали отделяться от доменных, что дало импульс для развития независимых чугунно-литейных предприятий. В начале 19-го столетия заводы начинают производить ковкий чугун, а в конце 20-го столетия осваивают производство легированного чугуна.

Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита (Fe3C) или графита. Цементит имеет светлый цвет, обладает большой твердостью и трудно поддается механической обработке. Графит, наоборот, темного цвета и достаточно мягок. В зависимости от того, какая форма углерода преобладает в структуре, различают: белый, серый, ковкий и высокопрочные чугуны. Чугуны содержат постоянные примеси (Si, Mn, S, P), а в некоторых случаях также легирующие элементы (Cr, Ni, V, Al и др.).

Белый чугун - вид чугуна, в котором углерод в связанном состоянии находится в виде цементита, в изломе имеет белый цвет и металлический блеск. В структуре такого чугуна отсутствуют видимые включения графита и лишь незначительная его часть (0,03-0,30 %) обнаруживается тонкими методами химического анализа или визуально при больших увеличениях. Отливки белого чугуна обладают износостойкостью, относительной жаростойкостью и коррозионной стойкостью. Прочность белого чугуна снижается, а твердость увеличивается с увеличением содержания в нём углерода.

Белый чугун очень тверд, почти не поддается механической обработке и поэтому не применяется для изготовления деталей, а используется для переделки в сталь и для изготовления деталей из ковкого чугуна. Такой чугун называется также передельным.

Серый чугун – сплав железа, кремния (от 1,2- 3,5 %) и углерода, содержащий также постоянные примеси Mn, P, S. В структуре таких чугунов большая часть или весь углерод находится в виде графита пластинчатой формы. Излом такого чугуна из-за наличия графита имеет серый цвет. Отдельной разновидностью (группой марок) серого чугуна является высокопрочный чугун с графитом глобулярной (шаровидной) формы, что достигается путем его модифицирования магнием (Mg), церием (Ce) или другими элементами.

Серый чугун характеризуется высокими литейными свойствами (низкая температура кристаллизации, текучесть в жидком состоянии, малая усадка) и служит основным материалом для литья. Он широко применяется в машиностроении для отливки станин станков и механизмов, поршней, цилиндров.

Высокая хрупкость, свойственная серым чугунам вследствие наличие в их структуре графита, делает невозможным их применение для деталей, работающих в основном «на растяжение» или «на изгиб»; чугуны используются лишь при работе «на сжатие».

Серый чугун маркируется буквами СЧ, после которых указывают гарантированное значение предела прочности в кг/мм², например СЧ30. Высокопрочные чугуны маркируются буквам ВЧ, после которых указывают прочность и, через тире, относительное удлинение в процентах, например ВЧ60-2.

Ковкий чугун –условное название мягкого и вязкого чугуна, получаемого из белого чугуна отливкой и дальнейшей термической обработкой. Используется длительный отжиг, в результате которого происходит распад цементита с образованием графита, то есть процесс графитизации, и поэтому такой отжиг называют графитизирующим.

Ковкий чугун, как и серый, состоит из сталистой основы и содержит углерод в виде графита, однако графитовые включения в ковком чугуне иные, чем в обычном сером чугуне. Разница в том, что включения графита в ковком чугуне расположены в форме хлопьев, которые получаются при отжиге, и изолированны друг от друга, в результате чего металлическая основа менее разобщена, и чугун обладает некоторой вязкостью и пластичностью. Из-за своей хлопьевидной формы и способа получения (отжиг) графит в ковком чугуне часто называют углеродом отжига. Ковкий чугун получил свое название из-за повышенной пластичности и вязкости (хотя обработке давлением не подвергается).

Ковкий чугун обладает повышенной прочностью при растяжении и высоким сопротивлением удару. Из ковкого чугуна изготовляют детали сложной формы: картеры заднего моста автомобилей, тормозные колодки, тройники, угольники и т. д.

Маркируется ковкий чугун двумя буквами и двумя числами, например КЧ 370-12. Буквы КЧ означают ковкий чугун, первое число-предел прочности (в МПа) на разрыв, второе число - относительное удлинение (в процентах), характеризующее пластичность чугуна.

Высокопрочный чугун – чугун, имеющий графитные включения сфероидальной формы. Графит сфероидальной формы имеет меньшее отношение его поверхности к объему, что определяет наибольшую сплошность металлической основы, а следовательно, и прочность чугуна.

Высокопрочный чугун наиболее часто применяется для изготовления изделий ответственного назначения в машиностроении, а также для производства высокопрочных труб (водоснабжение, водоотведение, газо-, нефте-проводы). Изделия и трубы из Высокопрочного чугуна отличаются высокой прочностью, долговечностью, высокими эксплуатационными свойствами.