Разумеется, большая часть металлопроката представлена изделиями из стали. Но помимо этого материала черная металлургия предлагает еще и чугун. Существует достаточно много металлоизделий, в которых сталь физически не способна стать полноценным заменителем чугуна. В обзоре пойдет речь про виды чугуна и особенности производства данного металла.
Чугун известен человечеству с древнейших времен, минимум 5000 лет до н.э., когда появился сыродутный горн. Но практическое применение чугуна, по крайней мере в промышленных масштабах, началось гораздо позже, около 1000 лет до н.э.
Чугун – смесь железа с углеродом. Если в стали концентрация углерода составляет менее 2,14%, то чугун получается при содержании углерода свыше этой отметки. Концентрация углерода в чугуне может достигать от 2,14 до 6,67%.
Ключевой особенностью чугуна является повышенная твердость, которая увеличивается с ростом концентрации углерода. Твердость первичного чугуна, который используется для переделки в сталь, может достигать 60-70 HRc, а в некоторых случаях и более того.
Но вместе с твердостью чугун обладает и повышенной хрупкостью. Именно из-за хрупкости и ломкости чугун долгое время считался шлаком, не находя практического применения в производстве.
Насчитывается множество разновидностей чугуна, отличающиеся друг от друга концентрацией углерода, зернистостью, а также типом и формой углеродных включений.
Ниже можно будет узнать про технологию производства чугуна.
История чугуна
Древние металлурги использовали так называемое кричное железо, а скапливающийся на дне чугун просто выбраковывался вместе со шлаком.
Изначально чугун использовался только для художественного литья (монеты, барельефы и пр.), примерно с X века до н.э. Позже из насыщенного углеродом железа стали получать посуду (казаны, сковородки) и печные плиты, начиная с X-XIV веков. Далее чугуну нашли применение при производстве цельнолитых пушек и ядер.
Вплоть до середины XIX века, когда появилась полноценная сталь, чугун активно применялся при изготовлении горнодобывающих вагонеток и рельсовых путей к ним.
После изобретения стали в 50-х годах XIX века потребление чугуна заметно снизилось. Но благодаря уникальным свойствам и доступной технологии производства чугуна данный материал не канул в лету, а используется и по сей день. Из чугуна изготавливаются:
- Трубопрокат
- Корпусные детали
- Радиаторы и теплообменники
- Котельное и печное оборудование
Существуют разновидности чугуна с хорошими антифрикционными свойствами, давая возможность применять данный материал при изготовлении подшипниковых узлов, прокатных валов и прочих деталей.
Виды чугуна
Следует начать с того, что чугун получают из железной руды. При переплавке агломерата (обогащенной руды) образуется расплав железа, который насыщен углеродом. Это и есть чугун.
В процессе переплавки руды можно получить несколько разновидностей чугуна:
- Переделочный
- Литейный
Тип получаемого чугуна определяется составом шихты.
- Переделочный чугун – для получения данного расплава нужна простая шихта (руда с углем). После плавки жидкий металл отправляется в конвертер, где расплав продувают кислородом.
В данном случае кислород соединяется с излишним углеродом и улетучивается в виде углекислого газа. На выходе получается сталь.
Какие еще виды чугуна существуют.
- Литейный чугун – расплав, предназначенный для производственных нужд. Такой чугун используется для изготовления литых деталей и отливок, которые подвергаются дальнейшей термической и механической обработке.
Для получения литейного чугуна в шихту вводят широкий спектр легирующих компонентов: марганец, кремний, фосфор и пр. Свойства литейного чугуна будут зависеть от концентрации вспомогательных добавок, а также скорости охлаждения расплава и особенностей последующей термообработки.
Литейный чугун отличается отменной жидкотекучестью и минимальной усадкой при остывании.
Различают 3 основных разновидности литейного чугуна:
- Белый
- Половинчатый
- Серый
Между собой данные виды чугуна отличаются фазовым состоянием углерода и зернистостью.
- Белый чугун – после плавки шихты и получения переделочного чугуна в расплав вводятся присадки, основу которых составляют марганец и кремний.
Свое название белый чугун получил из-за характерного белесого цвета на разрезе.
При увеличении количества марганца большая часть углерода переходи в фазу цементита, что делает чугун очень твердым и вместе с тем хрупким. Твердость белого чугуна достигает 70 HRc, что делает металл малопригодным для резания, особенно с учетом большой хрупкости.
Брикетированный белый чугун в фасовках по 40 (кг) нередко применяется для производства стали, как и жидкий переделочный чугун.
Белый чугун используется и в производстве, но лишь тех деталей, которые не подвергаются дополнительной механической нагрузке, особенно динамической. Из белого чугуна производят нагревательные плиты печей, теплообменники и другие детали, работающие в условиях нагрева до 800-900 С.
В прошлом белый чугун был основным материалом для производства ванн.
- Половинчатый чугун – данная разновидность чугуна отличается наличием углерода в нескольких разнородных состояниях. В таком чугуне углерод представлен как свободным графитом, так и цементитом.
Для графитизации углерода в расплав переделочного чугуна вводят повышенную концентрацию кремния, а количество марганца уменьшают.
Половинчатый чугун используется для производства ковкого чугуна. В этом случае половинчатый чугун подвергается многоступенчатой термообработке. Чугун томят при температуре около 1000 С на протяжении длительного времени, после чего осуществляют отпуск и нормализацию.
Несмотря на свое название ковкий чугун нельзя подвергать деформации в горячем состоянии. Ковкий чугун поддается небольшой пластической деформации, но лишь на холодную.
- Серый чугун – наиболее распространенная разновидность чугуна. Углерод представлен графитом, а железная основа может иметь перлитную, ферритную или перлитно-ферритную структуру.
Технология производства чугуна этой серии предусматривает введение в расплав кремния, марганца и фосфора.
Данный металл объединяет в себе прочность стали и твердость чугуна, соотношение которых легко регулируется скоростью охлаждения расплава и особенностями последующей термообработки.
Литейный серый чугун можно подвергать всем видам механической обработки: резка, точение, сверление, фрезерование и пр.
Из серого чугуна изготавливаются как корпусные элементы, так и детали, которые работают со средней или даже высокой механической нагрузкой. Качественный серый чугун, обладающий большим пределом прочности (300 МПа), используется при создании зубчатых зацеплений, шкивов, червячных пар, поршневой группы и блока цилиндров ДВС.
Данная разновидность чугуна обладает виброгасящими свойствами. Из серого чугуна создают станочные рамы и опоры, что позволяет увеличить жесткость конструкции и вместе с тем нивелировать вибрационную нагрузку.
Что еще нужно знать про виды чугуна.
Высокопрочный чугун
Данная разновидность чугуна имеет улучшенные прочностные характеристики и даже некоторую степень пластичности.
Для производства высокопрочного чугуна в расплав вводится специальный модификатор на основе магния или же церия. В этом случае углерод обретает графитоподобный вид. Но в отличии от серого чугуна, который имеет схожую структуру, зерна графита получают шаровидное строение.
Шаровидные графитовые включения снижают напряжения, возникающие в структуре металлоизделия.
Ковкий чугун
Как уже было сказано выше, ковкий чугун создается на основе половинчатого (белого) чугуна в процессе дополнительной термообработки.
Графитовые включения ковкого чугуна имеют хлопьевидную форму. Закругленный контур графитовых зерен способствует увеличению прочностных характеристик. Чугун становится на порядок менее хрупким, при этом сохраняется приличная твердость металла.
По качеству механических свойств ковкий чугун занимает промежуточное положение между литейным серым чугуном и высокопрочной разновидностью.
Антифрикционный чугун
К антифрикционному чугуну можно отнести сплавы, в которых углерод представлен свободным графитом. Антифрикционными свойствами обладают и литейный серый, и ковкий, и высокопрочный чугуны.
Вкрапления графита создают эффект сухой смазки. В этом случае коэффициент трения заметно снижается, что делает контактные пары более надежными и долговечными.
Антифрикционный чугун широко используется при изготовлении обойм подшипниковых узлов, поршневых колец и гильз блока цилиндров ДВС.
