Чугун сплав железа с углеродом и другими элементами в котором содержание углерода не менее

Обновлено: 19.05.2024

Феррит (твёрдый раствор внедрения C в α-железе с объемно-центрированной кубической решеткой)
Аустенит (твёрдый раствор внедрения C в γ-железе с гранецентрированной кубической решеткой)
Цементит (карбид железа; Fe₃C метастабильная высокоуглеродистая фаза)
Графит стабильная высокоуглеродистая фаза

Ледебурит (эвтектическая смесь кристаллов цементита и аустенита, превращающегося при охлаждении в перлит)
Мартенсит (сильно пересыщенный твёрдый раствор углерода в α-железе с объемно-центрированной тетрагональной решеткой)
Перлит (эвтектоидная смесь, состоящая из тонких чередующихся пластинок феррита и цементита)
Сорбит (дисперсный перлит)
Троостит (высокодисперсный перлит)
Бейнит (устар: игольчатый троостит) — ультрадисперсная смесь кристаллов низкоуглеродистого мартенсита и карбидов железа

Белый чугун (хрупкий, содержит ледебурит и не содержит графит)
Серый чугун (графит в форме пластин)
Ковкий чугун (графит в хлопьях)
Высокопрочный чугун (графит в форме сфероидов)
Половинчатый чугун (содержит и графит, и ледебурит)

Чугу́н — сплав железа с углеродом (и другими элементами), в котором содержание углерода не менее 2,14 % (точка предельной растворимости углерода в аустените на диаграмме состояний), а сплавы с содержанием углерода менее 2,14 % называются сталью. Углерод придаёт сплавам железа твёрдость, снижая пластичность и вязкость. Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита и графита. В зависимости от формы графита и количества цементита, выделяют белый, серый, ковкий и высокопрочный чугуны. Чугуны содержат постоянные примеси (Si, Mn, S, P), а в некоторых случаях также легирующие элементы (Cr, Ni, V, Al и другие). Как правило, чугун хрупок.

Выплавляется чугун, как правило, в доменных печах. Температура плавления чугуна — от 1150 до 1200 °C, то есть примерно на 300 °C ниже, чем у чистого железа.

Структура и состав

Если рассматривать чугун как структурный материал, то он представляет собой металлическую полость с графитными включениями. Структура чугуна это в основном перлит, ледебурит и пластичный графит. При этом у каждого вида чугуна эти элементы преобладают в разных пропорциях или отсутствуют совсем.

По структуре чугуны бывают:

перлитные,
ферритные и
ферритно-перлитный.

Графит присутствует в этом материале в одной из форм:

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.

Влияние элемента

Наличие углерода влияет на свойства сплава. Хрупкие чугуны могут иметь повышенную по сравнению со сталью твердость. Их в отличие от стали трудно сваривать или ковать, а к некоторым разновидностям эти технологические процессы, вообще, не применимы. Железо, входящее в железоуглеродистый сплав, определяет главные его свойства. Прежде всего температуру плавления выше 1530°С. А также этот элемент придает сплаву магнитные свойства. В чистом виде металл довольно прочен и пластичен. Но его химическая активность в отношении кислорода препятствует использованию в технике (металл быстро ржавеет, вступая в реакцию окисления).

Включение в сплавы углерода и иных примесей значительно повышает долговечность изделий. Часть углерода вступает в химическую реакцию с железом еще на стадии плавления, образуя стойкое соединение – цементит (Fe3C). Включения цементита снижают пластичность, одновременно повышая прочность и твердость образующегося сплава.

Особенно велика прочность стали с содержанием углерода около 1%. Когда соединения в сплаве становится больше, эта характеристика постепенно снижается, однако одновременно снижается ударная вязкость и так называемая хладоломкость (реакция на перепады температуры).

Углерод может содержаться и в химически свободном состоянии (графит). Наличие включений графита повышает ломкость, но при этом создает зернистость, препятствующую механическому разрушению поверхности. Графит может играть роль смазки, снижая сопротивление при трении. Включения графита также снижают воздействие вибраций. Углерод в чистом виде и в виде соединений может снизить температуру плавления (в некоторых чугунах почти на 400°С).

Таким образом, сплавы железа и углерода (стали и чугуны) благодаря различным соотношениям элементов и их химической формы могут существенно различаться в своих свойствах.

Типы по состоянию углерода

Поскольку состояние углерода в расплаве при различных условиях охлаждения и в присутствии иных веществ в составе сплава меняется, свойства чугуна также могут значительно отличаться. Это видно невооруженным глазом по цвету свежего, не покрытого ржавчиной излома. Как правило, более темные (серые чугуны) содержат наибольшее количество свободного углерода в виде различной формы включений графита.

Содержание химически связанного углерода отражается на цвете сплава, он заметно светлее, такой чугун называют белым. В перлитном чугуне может быть равное количество связанного и свободного углерода, это также отражается на цвете изделий. Уже на протяжении нескольких столетий существует упрощенная классификация чугунов по цвету, разделяющая чугуны на три типа: белый, серый и половинчатый.

Белый

Белый чугун имеет наиболее светлый излом. Наибольшее количество углерода в нем связано с железом и иными металлами. Образуется такой сплав при быстром охлаждении. Использование этого типа сплава ограничено, ввиду невысокой прочности.

Как правило, белый чугун поступает в передел для изготовления других типов чугуна и стали.

Серый

При более медленном охлаждении в расплаве проходит значительно больше процессов. Углерод частично связывается с металлами, но значительная его часть кристаллизуется в чистом виде, образуя включения графита. Размер и форма этих включений зависят от скорости остывания расплава, а также от наличия в нем различных примесей. Так получают чугуны, изделия из которых востребованы в различных отраслях хозяйства и в быту. Среди разновидностей этого типа различают ковкий и высокопрочный чугун.

Половинчатый

При особых условиях охлаждения получают сплавы, в которых связанного и свободного углерода примерно поровну. Из него изготавливают детали машин, основным требованием к которым является износоустойчивость при трении: коленчатые валы, колесные пары и многое другое. Графит в этом случае играет роль смазки.

Виды чугуна по содержанию углерода

По тому, сколько в сплаве содержится углерода, чугуны разделяют на три вида. Начнем с того, что в любом подобном сплаве процент углерода не может быть ниже 2,14%. Так как если количество элемента меньше этого процентного значения, надо говорить уже о стали. В большинстве видов чугуна содержание углерода составляет от 2,14 до 3%. Отдельные разновидности могут содержать свыше 3% углерода. Максимально чугун может включать 6,67% углерода, такой сплав называют высокоуглеродистый.

При этом сплавы различного состава по-разному проходят этапы кристаллизации при охлаждении, это существенно отражается на свойствах получаемого чугуна. В результате в сплаве образуется перлит – эквивалентная смесь феррита (раствора легирующих элементов и углерода в расплаве железа) и цементита (карбида железа), ледебурит (эквивалентная смесь все того же цементита и иных компонентов сплава). В металлургии принято по этому признаку разделять чугуны на три вида в соответствии с эвтектикой сплава.

Доэвтектические

В них содержание углерода от 2,14 до 4,3% в составе цементита, перлита и ледебурита. Такой сплав нередко используется в качестве конструкционного материала, а также на передел – получение иных видов чугуна, так как при его охлаждении образуется так называемая усадочная пористость, серьезно влияющая на прочность изделий. Изделия получили распространение в машиностроении.

Эвтектические

В них содержится около 4,3% углерода, преимущественно в виде ледебурита. При охлаждении может давать усадочные раковины, что часто приводит к формированию отличий от заданной при отливке формы, поэтому изготовление точных изделий из такого материала не всегда оправданно. Применяется как конструкционный материал для изготовления изделий разнообразного назначения.

Заэвтектические

Могут содержать до 6,67% углерода в составе цементита и ледебурита и свободного графита. В основном используются для производства других видов чугуна и стали при передельной металлургии.

Сколько содержится углерода в чугуне?

Чугун – это сплав железа и углерода, важнейший конструкционный материал. От другой разновидности сплавов на основе железа – сталей – различные чугуны отличаются повышенным содержанием углерода.

В этом материале рассмотрим различия видов чугуна и влияние на их свойства других компонентов сплава, больше ли его в стали, а также какой максимальный процент углерода содержится в чугуне.

Свойства и характеристики

Физическими. К этим характеристикам относятся: удельный вес, коэффициент линейного расширения, действительная усадка. Удельный вес меняется в зависимости от содержания в материале углерода.
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.
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».
Гидродинамическими. Вязкость в чугуне меняется в зависимости от наличия марганца и серы. Так же она резко возрастает когда температура чугуна переходит точку начала затвердевания.
Технологическими. Чугун обладает отличными литейными свойствами, стойкости к износу и вибрации.
Химическими. По электродному потенциалу (по мере убывания) структурные составляющие чугуна располагаются в следующем виде: цементит — фосфидная эвтектика — феррит.

Отличия чугуна от стали по химическому составу и свойствам

На свойства чугуна влияют специальные 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.

Далее вы узнаете, какие элементы входят в хим.состав чугуна.

О том, как сварить чугун электросваркой, расскажет видеоролик ниже:

Особенности сплава

Главная особенность чугуна скрыта в процессе его изготовления. Дело в том, что у разных видов этого сплава температура плавления достигает 1200ºС, в то время как у стали она составляет 1500 ºС. На этот фактор влияет слишком высокое содержание углерода. Атомы железа и углерода между собой имеют не очень тесные связи.

Когда происходит выплавка, атомы углерода не могут целиком внедриться в молекулярную решетку железа, из-за чего чугунный сплав приобретает хрупкость. В связи с этим его не используют в производстве деталей, которые будут постоянно подвергаться нагрузке.

Этот материал относится к отрасли черной металлургии и по своим характеристикам схож со сталью. Изделия из чугуна и стали нашли широкое применение в повседневной жизни, и оно является целиком оправданным.

Если сравнивать характеристики этих металлов, можно сделать следующие заключения:

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

Области применения

Чугун распространен во многих сферах.

Его используют для производства деталей в машиностроении. В основном из чугуна делают блоки для двигателей и коленчатые валы. Для последних требуется усовершенственный чугун, в который добавляют специальные добавки из графита. Благодаря устойчивости чугуна к трению из него делают тормозные колодки отличного качества.
Чугун может бесперебойно работать даже при сильно низких температурах. Поэтому его часто используют в производстве деталей машин, которым придется работать в жестких климатических условиях.
Хорошо зарекомендовал себя чугун в металлургической области. Его ценят за относительно небольшую цену и отличные литейные свойства. Изготовленные из чугуна изделия характеризуются отличной прочностью и износостойкостью.
Из чугуна делают большое множество сантехнических изделий. К ним можно отнести раковины, батареи, мойки и различные трубы. Особо славятся чугунные ванны и радиаторы отопления. Некоторые из них служат в квартирах по настоящее время, хотя приобретены были много лет назад. Чугунные изделия сохраняют свой первоначальный вид и не нуждаются в реставрации.
Благодаря хорошим литейным свойствам из чугуна получают настоящие произведения искусства. Его часто применяют в изготовлении художественных изделий. Например, таких как красивые ажурные ворота или памятники архитектуры.

Выбираете ванну? Не знаете, что лучше, чугунная или стальная? Тогда это видео поможет вам:

Чугу́н — сплав железа с углеродом ( и прочими элементами ).
Содержание углерода в чугуне не менее 2, 14 % ( точка предельной растворимости углерода в аустените на диаграмме состояний ) : меньше — сталь.
Углерод придаёт сплавам железа крепость и твёрдость, снижая пластичность и вязкость.
Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита и графита.
В зависимости от формы графита и количества цементита, выделяют : бледный, бесцветный, ковкий и высокопрочные чугуны.
Чугуны содержат постоянные примеси ( Si, Mn, S, P ), а в отдельных событиях также легирующие элементы ( Cr, Ni, V, Al и др. ).
Обыкновенно, чугун хрупок.

При нормальных температурах структура чугуна состоит из перлита, вторичного цементита и ледебурита.
Ледебурит после эвтектоидного превращения представляет собой механическую смесь перлита и цементита.
Чугуны с содержанием углерода до 4, 3 % называются доэвтектическими чугунами.
такие чугуны называются белыми чугунами , если углерод находится в чугунах в химически связанном состоянии с железом, т.е. в цементите .
Микроструктура сплава IV, воображающего собой доэвтектический белый чугун, изображена на рис.

Содержание

В русском языке слово чугун имеет тюркское происхождение, в тюркских же языках термин, вероятно, от кит. трад. 鑄 , пиньинь: zhù, палл.: чжу, буквально: «лить; отливать (металл)» и кит. трад. 工 , пиньинь: gōng, палл.: гун, буквально: «дело» [1] . Это связано с тем, что чугун представлял собой железный сплав низкой плавки. В финском языке чугун обозначается словом Valurauta, которое имеет два корня и переводится как литое железо (rauta).

Технологию литья чугуна освоили в Китае, откуда этот термин (через татаро-монгольское посредничество) попал в Россию [1] . В X веке в Китае появляются чугунные монеты, однако в широком применении вплоть до XIX века оставались бронзовые монеты [2] . В XI веке был возведен чугунный шпиль пагоды Линсяо. XIV веком датируют находки чугунных котлов Золотой Орды (Тульская область) [3] , однако на территории Монголии (Каракорум) монголы умели изготовлять чугунные котлы ещё в XIII веке [4] .

В 1339 году (в годы Столетней войны) при обороне французского города Камбре уже использовались чугунные пушки наряду с бронзовыми. В 1403 году в Китае (Пекин) был отлит чугунный колокол [5] . C 1411 года англичане начинают вооружать чугунными пушками свои корабли [6] . В том же XV веке во Фландрии начинают лить чугунные ядра, которые вытесняют каменные [7] . В XVI веке в России (при Иване Грозном) из чугуна начали изготавливаться пушки [8] . Ввиду отсутствия у чугуна такого свойства как ковкость, его широкое производство стало возможным благодаря внедрению технологии доменной печи. Чугунные пушки появились у маньчжуров лишь в 1631 году [9] , а в Китае они были известны со времени династии Мин [10] , которая потеряла власть в 1644 г.

В 1701 году Каменский чугунолитейный завод на Урале (Россия) производит первую партию чугуна (262 кг). На Урале чугунное литье превратилось в народный промысел (Каслинское литьё). В XVIII веке в Англии появился первый чугунный мост (в России чугунный мост появился лишь в начале XIX века). Это стало возможным благодаря технологии Вилкинсона. В том же веке из чугуна начали изготавливать рельсы [11] (Чугунный колесопровод). Помимо промышленного использования чугун продолжал использоваться и в быту. В XVIII веке появились чугунки, которые широко стали использоваться в русской печи [12] .

К концу XVIII века Россия занимала первое место по производству чугуна и выдавала 9 908 тыс. пудов чугуна, в то время как Англия — 9516 тыс. пудов, дальше шли Франция, Швеция, США. [13]

В 1806 году Великобритания выплавляла 250 тыс. тонн чугуна, занимая 1-е место в мире по его производству, а к середине XIX века в Великобритании была сосредоточена половина мирового чугунного производства. Однако в 1890 году 1-е место по производству чугуна заняли США [14] . Технология бессмеровского процесса (1856) и мартеновской печи (1864) впервые позволила получать сталь из чугуна. В XIX веке чугун широко используется для изготовления викторианских каминов [15] , а также декоративных элементов (например, чугунная решетка памятника Александра II, 1890). Благодаря изготовлению малой скульптуры и ажурных изделий из чугуна широкую известность получили Кусинский и Каслинский заводы. Развитие способов формовки для литья сложных художественных отливок на заводе в посёлке Касли привело к созданию способа изготовления стержневых форм, который применяют и в настоящее время, особенно в станкостроении. [16] Также в XIX веке из чугуна изготавливались водопроводные и канализационные 12-дюймовые трубы Лондона [17] . Однако с появлением нарезного оружия (Пушка Армстронга, 1854) сталь вновь начинает вытеснять чугун.

Чугун прочно вошел в нашу жизнь много лет назад. Он относительно легко производится и широко применяется в различных областях. Чтобы иметь четкое представление об этом материале необходимо знать его особенности, минусы, плюсы, химический состав, свойства, структуру чугуна и его сплавов, их производство и область применения.

«Серый» чугун

Серый чугун содержит до 3,5% углерода в своём составе. Причём этот неметалл представлен в графитовой своей форме (то есть в виде гексагональных пластинчатых двумерных кристаллов). Кроме того, ГОСТ 1412 предусматривает включение в состав таких веществ, как:

Кремний (до 2,5%). Улучшает литейные свойства, повышает мягкость, но при этом находится в недостаточных для снижения устойчивости к деформациям пропорциях;
Марганец (до 0,8%). Повышает прочность, формирует устойчивые внутренние напряжения, которые увеличивают устойчивость к внешним механическим воздействиям;
Фосфор (до 0,3%). Вредная примесь, от которой, тем не менее, не удаётся полностью избавиться при производстве. Впрочем, кон минимальны.

В целом состав материала обеспечивает превосходную устойчивость и износостойкость. Именно поэтому он наиболее широко используется в тяжёлом машиностроении для производства деталей, не подвергающихся ударным воздействиям. Также его применяют для изготовления конструкционных элементов станков.

Интересной особенностью «серого» является его текучесть при литье. Поэтому ещё одна сфера его применения – это изготовление художественных изделий. Различные чугунные заборы со сложной геометрией и текстурой, элементы витражей и декоративные изделия – всё это изготавливается именно из данного сплава.

Кроме того, он податлив для обработки резанием.

С другой стороны, механическая прочность его достаточно средняя. При ударных нагрузках и подобных воздействиях деталь может треснуть или расколоться. Его редко используют для отливки «ответственных» функциональных узлов и конструкционных элементов, что также обусловлено небольшой прочностью.

Зато «серый материал» устойчив к сжатию и выдерживает даже серьёзные нагрузки. Как следствие, он используется в производстве колонн, канализационных, водопроводных и отопительных труб, станин станков и поршней двигателей.

Достоинства

Прочность на сжатие, позволяющая использовать детали под нагрузкой;
Механическая устойчивость и износостойкость;
Текучесть при литье.

Недостатки

Низкая прочность, из-за чего конструкция плохо переносит ударные нагрузки;
Средняя теплопроводность;
Средняя термоустойчивость.

В бытовой среде серый чугун практически не применяется, да и в производстве он чаще используется для дальнейшего преобразования в ковкие, износостойкие и пластичные варианты. После легирования другими примесями он также может использоваться для изготовления посуды.

Разновидности материала

Существуют такие виды чугуна, как предельный и литейный. Первый используют при производстве стали по кислородно-конвертерному пути. Кремний и марганец в таком сплаве содержится в очень малом количестве. Литейный вид материала более широко используется в промышленности и производстве. Он, в свою очередь, подразделяется на следующие виды:

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.

Достоинства и недостатки

Этот материал, как и любой другой, имеет свои сильные и слабые стороны.

К достоинствам чугуна относятся такие факторы:

Иногда его даже сравнивают по характеристикам со сталью, ведь определенные его виды отличаются повышенной прочностью.
Длительное время сохраняет температуру: при нагревании тепло по нему распределяется равномерно и долгое время остается неизменным.
Является экологически чистым материалом, благодаря чему нередко используется при изготовлении посуды, в которой непосредственно будет готовиться пища.
Не реагирует на кислотно-щелочную среду.
Является долговечным материалом.
Чем дольше используется изделие из этого материала, тем лучше становится его качество.
Этот материал является абсолютно безвредным для организма человека.

К недостаткам можно отнести следующие факторы:

Может покрываться ржавчиной даже при непродолжительном нахождении в нем воды.
Является весьма дорогостоящим материалом, но несмотря на это, целиком оправдывает себя. Качество, практичность и надежность — вот основные признаки изделий, изготовленных из этого сплава.
Серый чугун характеризуется маленькой пластичностью.
Белый — весьма хрупок и идет чаще всего на переплавку.

Особенности материалов

Сталь и чугун – продукция предприятий черной металлургии. Производят эти сплавы из железной руды. Общим в технологии производства является то, что и чугун, и сталь варят, то есть готовят по специальным рецептам, выдерживая определенное время при определенных температурах, добавляя на определенном этапе в расплав различные составляющие. Именно поэтому рабочих, занятых в черной металлургии, называют сталеварами.

Наиболее обобщенное представление о сплавах связано с содержанием в них углерода. В стали оно менее 2,14%, в чугуне, соответственно выше этого значения. В отдельных его видах этого элемента в различном состоянии может быть более 6%.

Однако это не единственное отличие чугунов и сталей. Изготавливаемые по разным «рецептам», они содержат углерод в различном виде, а кроме этого, могут содержать иные составляющие сплава.

Что такое чугун

Итак, давайте узнаем, какие железоуглеродистые сплавы называют чугунами.

Понятие

Чугуном называется железоуглеродистый сплав с содержанием углерода, то есть под ним понимается материал, который состоит из сплава железа и углерода. Процентное содержание углерода в чугуне составляет более 2,14%. Последний элемент может входить в чугун в виде графита или цементита.

Данное видео рассказывает об особенностях чугуна:

Разновидности

Различают белый и серый чугун.

Углерод в белом чугуне представлен в виде карбида железа. Если переломить его, то можно увидеть белый отлив. В чистом виде белый чугун не используют. Его добавляют к процессу производства ковкого чугуна.
На изломе серый чугун имеет серебристый отлив. У этого вида чугуна большая сфера использования. Он хорошо поддается обработке резцами.

Кроме этого, чугуны бывают высокопрочные, ковкие и со специальными свойствами.

Высокопрочный чугун используют в целях повышения прочности изделия. Механические свойства такого чугуна позволяют это сделать на отлично. Высокопрочный чугун получают из серого в результате добавление к массе примеси магния.
Ковкий чугун — это разновидность серого. Название не означает, что этот чугун легко подвергают ковке. Он обладает повышенными свойствами пластичности. Его получают помощью отжига из белого чугуна.
Различают так же половинчатый чугун. В нем некоторая часть углерода находится виде графита, а оставшиеся часть в форме цементита.

Особенные черты

Особенность чугуна кроется в процессе его производства. Средняя температура плавления разных видов чугуна составляет 1200ºС. Это значение на 300 градусов меньше, чем у стали. Связано это с очень высоким содержанием углерода. Углерод и атомы железа имеют между собой не очень тесную связь.

Когда идет процесс выплавки, углерод не может полностью внедриться в решетку железа. В результате чугун принимает свойство хрупкости. Его нельзя использовать для изготовления деталей, на которых будет постоянно действовать нагрузка.

Чугун относится к материалам черной металлургии. Его характеристики часто сравнивают со сталью. Изделия из стали или чугуна широко используются в нашей жизни. Их применение является оправданным. Проведя сравнение характеристик, можно сказать следующее об этих двух материалах:

Стоимость чугунных изделий ниже стоимости стальных.
Материалы отличаются по цвету. Чугун – это темный матовый материал, а сталь – светлый и блестящий.
Чугун легче, чем сталь поддается литью. Но сталь легче сваривается и куется.
Чугун менее прочный, чем сталь.
По весу чугун легче стали.
В стали содержание углерода, выше чем в стали.

Плюсы и минусы

Чугун, как и любой материал, имеет положительные и отрицательные стороны.

К плюсам чугуна относят:

Углерод в чугуне может находиться в разном состоянии. Поэтому этот материал может быть двух видов (серый и белый).
Определенные виды чугуна обладают повышенной прочностью, поэтому чугун иногда ставят на одну линию со сталью.
Чугун может достаточно долго сохранять температуру. То есть при нагреве тепло равномерно распределяется по материалу и остается в нем длительное время.
По экологичности чугун является чистым материалом. Поэтому его часто используют для изготовления посуды, в которой впоследствии готовится пища.
Чугун стоек в кислотно-щелочной среде.
Чугун обладает хорошей гигиеничностью.
Материал отличается достаточно долгим сроком службы. Замечено, что чем продолжительнее используется чугун, тем его качество лучше.
Чугун – долговечный материал.
Чугун – это безвредный материал. Он не способен нанести организму даже маленького вреда.

К минусам чугуна относят:

Чугун покроется ржавчиной, если на нем непродолжительное время будет находиться вода.
Чугун – дорогостоящий материал. Однако этот минус оправдан. Чугун очень качественный, практичный и надежный. Предметы, изготовленные из него, так же получаются качественными и долговечными.
Для серого чугуна характерна маленькая пластичность.
Для белого чугуна характерна хрупкость. Он в основном идет на переплавку.

Разница между серым и белым чугуном

Чугун — это сплав железа и углерода, в котором процентное содержание углерода составляет не менее 2,14%, но не более 4,5%. Углерод входит в состав чугуна в форме цементита либо графита. Если процент содержания углерода составляет меньше 2,14%, такой сплав именуется сталью.

Известно, что чугунный сплав впервые был произведен в Китае в VI веке. В Европу секрет его производства пришел в XIV веке, а в России его состав был доведен до совершенства лишь в XVII. За все это долгое время формула чугуна не изменилась.

Самый качественный материал производился на литейном заводе братьев Демидовых, расположенном на Урале.

По прошествии веков он не только не утратил своей актуальности, но и приобрел еще более обширный спектр применения.

Производство металла

Чугун производят в специальных доменных печах. Основное сырье для получения чугуна – это железная руда. Технологический процесс заключается в восстановлении оксидов железа руды и получении на выходе другого материала – чугуна. Для изготовления чугуна используются следующее топливо: кокс, природный газ и термоантрацит.

После восстановления руды железо имеет твердую форму. Далее его опускают в специальную часть печи (распар), где происходит растворение в железе углерода. На выходе получается жидкий чугун, который опускается в нижнюю часть печи.

Цена на чугун (за 1 кг) зависит от количества углерода в нем, от наличия дополнительных примесей и легирующих компонентов. Примерно цена тонны чугуна будет составлять 8000 рублей.

Производственные технологии

Как известно, чугун производится в специальных доменных печах. Основным сырьем для его получения служит железная руда. Технологический процесс изготовления состоит в восстановлении оксидов железной руды и получении в результате этого иного материала — чугуна. Для его изготовления используются такие виды топлива, как кокс, термоантрацит, природный газ.

Для производства одной тонны чугуна требуется около 550 килограмм кокса и приблизительно тонна воды. Объемы загружаемой в печь руды будут зависеть от содержания в ней железа. Как правило используют руду, в составе которой содержится железа не менее 70%. Все дело в том, что экономически нецелесообразно использовать меньшую его концентрацию.

Первым этапом производства чугуна является его выплавка. В доменную печь засыпается руда, а затем — коксующийся уголь, который необходим для нагнетания и поддержания требуемой температуры внутри шахты печи. Эти составляющие во время горения принимают активное участие в протекающих химических реакциях в качестве восстановителей железа.

Тем временем в печь погружается флюс, который выступает в роли катализатора. Ускоряя плавку пород, он тем самым поддерживает скорейшее высвобождение железа. Немаловажно знать, что перед загрузкой в печь руда проходит необходимую предварительную обработку. Она измельчается на дробильной установке, поскольку более мелкие частицы плавятся быстрее. Затем ее промывают, чтобы удалить частицы, не содержащие металл. Далее сырье подвергается обжигу, вследствие чего из него извлекается сера и другие инородные компоненты.

На втором этапе производства в заполненную и готовую к эксплуатации печь подается через специальные горелки природный газ. Кокс участвует в разогреве сырья. Происходит выделение углерода, который, соединяясь с кислородом, образует оксид. Он, в свою очередь, способствует восстановлению железа из руды.

При увеличении объема газа в печи снижается скорость протекания химической реакции. Она может и совсем остановиться при достижении определённого соотношения газа. Углерод проникает в сплав и соединяется с железом, при этом образуя чугун. Нерасплавленные элементы остаются на поверхности и вскоре удаляются. Такие отходы называются шлаком. Его используют для изготовления других материалов.

Характерные черты и свойства чугуна

Этот металлический сплав обладает такими свойствами:

Физические свойства: удельный вес, действительная усадка, коэффициент линейного расширения. Например, содержание углерода в чугуне напрямую влияет на его удельный вес.
Тепловые свойства. Теплопроводность обычно рассчитывают по правилу смещения. Для твердого состояния металла объемная теплоемкость составляет 1 кал/см3*оС. Если металл находится в жидком состоянии, то она примерно равна 1,5 кал/см3*оС.
Механические свойства. Примечательно, что на эти свойства влияет как сама основа, так и форма и размеры графита. Серый чугун с перлитной основой является наиболее прочным, а с ферритной — самым пластичным. Пластинчатая форма графита характеризуется максимальным снижением прочности, в то время как у шаровидной формы это снижение минимально.
Гидродинамические свойства. Наличие в составе марганца и серы влияет на вязкость материала. Также она имеет свойство увеличиваться, когда температура сплава переходит точку начала затвердевания.
Технологические свойства. Этому металлу характерны отличные литейные качества, а также стойкость к износу и вибрации.
Химические свойства. По мере убывания электродного потенциала структурные составляющие сплава располагаются в следующем порядке: цементит — фосфидная эвтектика — феррит.

На свойства сплава также оказывают влияние специальные примеси:

Добавление серы значительно уменьшает текучесть и снижает тугоплавкость.
Фосфор позволяет изготовить изделия разнообразной формы, но при этом уменьшает его прочность.
Добавление кремния уменьшает температуру плавления материала, а также заметно улучшает литейные свойства. Содержание кремния в различном процентном соотношении дает возможность получить сплавы разного цвета: от ферритного до чисто белого.
Присутствие в сплаве марганца значительно повышает твердость и прочность материала, но при этом ухудшаются его литейные и технологические качества.
Кроме этих примесей в состав сплава могут также входить иные компоненты. В таком случае материалы называют легированными. Чаще всего к чугуну примешиваются титан, алюминий, хром, медь и никель.

«Белый» чугун

Белый чугун – железоуглеродный сплав, в котором весь углерод находится в связанном состоянии (в виде цементита Fe3C). Содержание данного неметалла – до 3,8%. И это значительно изменяет эксплуатационные свойства материала. Других примесей, к слову, практически нет.

Белый чугун характеризуется твёрдостью – и при этом он очень хрупкий. Разрушение или деформация изготовленного из него изделия может произойти вследствие как механических, так и термических внешних факторов. Кроме того, данный сплав практически не обладает важными для производства конечных продуктов качествами.

Так, он не пластичен, плохо поддаётся литью, устойчив к резанию и ковке. Из-за этого изготовить из него предметы сложной геометрии или малых размеров не представляется возможным.

Да и сам по себе «белый материал» практически не используется в производстве. Он служит основой для других сплавов – включая высокопрочный и ковкий. Кроме того, его очень часто переделывают в сталь – соединения железа с углеродом в малых количествах (до 0,6%) и другими постоянными либо легирующими примесями.

Итак, подведём итоги.

Достоинства

Чистота материала (малое содержание сторонних примесей);
Прочность, не поддаётся резанию и другим деформирующим воздействиям;
Износоустойчивость.

Недостатки

Крайне низкие эксплуатационные качества, практически не поддаётся обработке;
Малая текучесть, вследствие чего сложен в литье;
Хрупкость, легко трескается и разрушается даже при незначительных ударных воздействиях.

Все эти недостатки делают белый чугун неподходящим для использования ни в машиностроении, ни в других сферах. Поэтому он практически нигде и не применяется. Зато на его основе с легированием сторонними примесями или, напротив, очисткой получают другие практичные и широко использующими сплавы.

Основные характеристики чугунных изделий

Теперь следует рассмотреть, чем отличается чугун от стали по составу и свойствам. Беря в руки чугунную сковороду, наверняка каждая хозяйка задавалась вопросом: «Чугун – это металл или нет?». Это металл, причем состоящий все из того же Fe и C. Только доля углерода в нем превышает 2,14%.

То есть чугун – это сплав железа с углеродом, который в нем содержится в виде цементита (карбида железа) или графита (минерала, являющегося одной из модификаций C). Именно эти вещества и определяют цвет готового изделия.

Температура плавления варьируется в пределах 1160°С-1250°С и находится в прямой зависимости от содержания C – чем больше этого вещества, тем ниже температура. Сравнительно низкая температура плавления повышает текучесть, ухудшая пластичность, повышая хрупкость и делая невозможной дальнейшую обработку.

Разница стали и чугуна заключается в том, что последний не поддается обработке путем сварки и ковки. Все изделия изготавливаются только путем литья.

Разновидности

В зависимости от формы и количества этих веществ, данное соединение подразделяется на несколько подвидов.

Белый. В состав этого материала входит цементит, который на изломе белый. Поэтому такой сплав имеет светлый цвет. Углерод в нем находится в связанном виде. А в зависимости от его количества данный материал делят на эвтектический (C не превышает 4,3%) и заэвтектический (C не превышаете 6,67%)

Из белых подтипов в основном изготавливают ковкие чугунные сплавы, получаемые путем отжига.

Серый. Здесь практически весь углеродистый компонент содержится в виде пластинчатого графита, придающего ему серый оттенок. В состав входит кремний и постоянные примеси в виде магния, фосфора и серы.

Таблица

Серый чугун	Белый чугун
Менее твердый	Более твердый
Более темный на изломе	Более светлый на изломе
Менее устойчив к износу	Более устойчив к износу
Менее хрупок	Более хрупок
Хорошо поддается обработке ручным инструментом	Не слишком хорошо поддается обработке ручным инструментом
Активно применяется в различных сферах промышленности	Используется главным образом в целях изготовления стали, серого чугуна
Имеет большой процент свободного углерода — в виде графита	Включает в основном связанный углерод
Характеризуется большим процентом кремния, меньшим — марганца, фосфора	Характеризуется меньшим процентом кремния, большим — марганца, фосфора

Состав и структура металла

Чугун в качестве структурного материала представлен металлической полостью с графитными включениями. Основными его компонентами выступают перлит, ледебурит и пластичный графит. Интересно, что в различных видах сплавов эти элементы присутствуют в неодинаковых пропорциях либо могут совсем отсутствовать.

По своей структуре чугунный сплав разделяется на следующие разновидности:

Перлитный.
Ферритный.
Ферритно-перлитный.

При этом графит может присутствовать в нем в одной из таких форм:

Шаровидной: графит принимает эту форму при добавлении присадки магния. Обычно она свойственна высокопрочным чугунным изделиям.
Пластичной: графит напоминает форму лепестков (именно в такой форме он присутствует в обычном чугуне). Такой материал характеризуется повышенной пластичностью.
Хлопьевидной: такая форма получается в процессе отжига белого чугуна. Графит в хлопьевидной форме встречается в составе ковкого чугуна.
Вермикулярной: графит в этой форме присутствует в сером чугуне. Она разрабатывалась специально для повышения его пластичных свойств.

Читайте также: