Виды чугуна: понятие о металле, характерные особенности и свойства сплавов

Чугун является одним из важнейших металлов современной цивилизации. Благодаря распространенности исходного элемента – железа, и относительной легкости производства, его применяют в самых разных областях. Поэтому полезно иметь представление о его особенностях и области применения. Разбираемся, какие свойства присущи сплаву, какие виды чугуна существуют, какими характеристиками обладают.

Чугун и сталь как производные железа

По распространенности в земной коре железо занимает второе место после алюминия. В совокупности с техническими свойствами это делает его одним из самых важных металлов для человека. Само железо – металл довольно пластичный, поэтому в хозяйстве используются сплавы на его основе, сталь и чугун.

Благодаря добавке в железо различных примесей (в частности – углерода), сплавы обладают нужной твердостью, сниженной пластичностью и вязкостью. Несмотря на то, что сталь и чугун происходят от одного металла, характеристики и свойства у них разные, а именно:

• Основное различие – доля углерода в сплаве; пограничное значение: 2,14 %. В стали углерода не больше 2,14 %, в чугуне его содержание увеличено от 2,14 до 6,67 %. Включение углерода бывает в виде графита или цементита (карбида железа).
• В состав этих металлов входят различные примеси и легирующие компоненты, помогающие улучшить их свойства.

• Температура плавления чугуна составляет 1150-1250 ℃, тогда как сталь плавится при 1500 ℃; при этом ее теплопроводность несколько ниже. Разница объясняется высоким содержанием углерода в чугуне.
• Сплавы отличаются и внешним видом. Сталь всегда выглядит более светлой, блестящей; оттенки чугуна более темные, матовые.

Характеристики чугуна

Когда рассматривают свойства чугуна, то понять, какой это металл, можно на основе его состава. В процессе выплавки железо насыщается значительным количеством углерода, но связи между этими веществами остаются недостаточно крепкими. Поэтому этот железоуглеродистый сплав приобретает свойства, несколько отличные от характеристик стали, например:

• Чугун по сравнению со сталью – достаточно хрупкий металл. Его не используют для изготовления элементов, которые постоянно находятся под нагрузкой.
• Он используется в литейном производстве, служит сырьем для выплавки стали.
• Чугунные детали по весу легче стальных, а их стоимость ниже.
• Сварка чугуна затруднена: углерод выгорает, в шве образуются поры, из-за включений графита образуются трещины. Куется он также хуже стали.

• Существует несколько видов этого продукта черной металлургии. Сплавы содержат постоянные примеси (кремний, марганец, серу, фосфор), иногда – легирующие добавки (никель, хром, алюминий, ванадий).

Достоинства и недостатки

Свойства определяют как положительные, так и отрицательные стороны чугуна. К бесспорным плюсам относят следующие его качества:

• Металл отличается широким спектром применения благодаря тому, что процесс производства чугунных изделий отличается относительной простотой и экономичностью.
• Ассортимент чугунных изделий обширный, они получаются долговечными, стойкими к износу и вибрации, материал легко обрабатывается, обладает способностью накапливать тепло.
• Возможно получение разных сортов сплава с различными исходными свойствами. Характеристики варьируются количеством углерода и других присадок.
• В быту хорошо известно, что чугун – это экологичный сплав с превосходными гигиеническими качествами. Чугунная сковорода хорошо моется и не взаимодействует с кислотами и щелочами, чугунная ванна долго сохраняет накопленное тепло.

Минусы чугуна, как материала, выглядят следующим образом:

• Его необходимо защищать от контакта с водой; даже кратковременное их взаимодействие запускает процесс коррозии (поэтому чугунные ванны обязательно покрывают эмалью).
• Основной недостаток – хрупкость, из-за которой чугунные изделия нуждаются в особых условиях во время перевозки, установки и обслуживания.
• Чугунные детали отличаются большим весом.

Виды чугуна и как они применяются

Если сравнивать содержание и состояние углерода в сплаве, то по этим признакам чугун делится на три вида:

• Белый. Весь углерод сосредоточен в цементите (в связанном состоянии); место излома отливает белым (отсюда и название). Материал известен высокой твердостью и хрупкостью, из-за чего практически не поддается обработке. В составе есть легирующие добавки (никель, марганец, молибден). Использование: основа для ковких чугунов, литые износостойкие детали.

• Серый. Графит в сплаве находится в свободном виде, поэтому излом приобретает серый цвет. Структура металла формируется при медленном охлаждении, поэтому он получает хорошую жидкотекучесть (качественно заполняет литейную форму и воспроизводит ее), не формирует усадочных дефектов. Поэтому из него изготавливают отливки сложной формы (в том числе и крупные).
• Половинчатый (отбеленный). Поверхностный слой отливок обладает структурой белого чугуна (слой толщиной 12-30 мм), внутренний – сплава с графитом. Сплав имеет высокую твердость на поверхности. Применение довольно широкое, но ограниченное там, где нужна высокая износостойкость: тормозные колодки, лемехи плугов, а также валки листовых прокатных станов.

Если брать во внимание цель использования, то чугун можно разделить на две группы:

• Передельный (нужен для передела в сталь). Процесс двухэтапный. Сначала из железосодержащей руды получают чугун (так как его температура плавления ниже). Затем из него удаляют лишний углерод путем продувания кислородом или сжатым воздухом, и получают сталь. В процессе важен контроль содержания кремния, серы, марганца и фосфора.

• Литейный. Используется для изготовления отливок (в литейном производстве). В состав входит кремний, подавляющая часть углерода содержится в виде свободного графита. Выплавляется несколько сортов: древесноугольный, коксовый, специальный. Сплав хорошо обрабатывается; его применяют в разных областях промышленности (например, в машиностроении).

Форма графитовых включений в сплаве может быть разной, возможны, следующие варианты:

• С шаровидным графитом. В расплав добавляется чистый магний или другие модификаторы; в результате получается высокопрочный модифицированный чугун. Он нужен для производства износостойких деталей, способных работать при высоких температурах, больших нагрузках и в агрессивных средах.
• С хлопьевидным графитом. Его получают путем отжига белого чугуна; сплав получается не только прочным, но и пластичным. Существует две разновидности: черно- и белосердачный сплав; они идут на изготовление деталей ответственного назначения, способных работать в условиях ударных и вибрационных нагрузок.

• С вермикулярным (уплотненным) графитом. Сплав отличается высокими физико-механическими свойствами (они выше, чем у серого чугуна). Его используют, когда нужна большая прочность при нагрузках, например, при изготовлении корпусов турбин, блоков дизельных двигателей, тормозных дисков для высокоскоростных поездов.

Специальные сплавы и присадки к ним

Для особых применений нужен чугун с определенными механическими свойствами: стойкий к износу, коррозии или высокой температуре, сплав с особыми электромагнитными свойствами, для художественного чугунного литья. Нужные характеристики достигаются разными способами, например, применяются специальные технологии отжига и охлаждения.

Также широко применяется легирование, то есть изменение структуры металла добавлением специальных присадок. Легирующими элементами служат следующие вещества:

• Кремний. Вместе с углеродом он является основной легирующей добавкой. Кремний улучшает литейные свойства сплава, способствуя выделению графита.

• Хром. Он делает сплав жаро- и износостойким, увеличивает стойкость к коррозии.
• Алюминий. Сплав приобретает жаростойкие и износостойкие свойства, в том числе, и при высоких температурах.
• Марганец. Металл становится износостойким и маломагнитным.
• Никель. Низколегированные сплавы (содержание примесей не превышает 2,5 %) становятся коррозийно-стойкими в газовых средах двигателей внутреннего сгорания, получают повышенную прочность и износостойкость. Высоколегированные – становятся жаропрочными, износо- и хладостойкими, маломагнитными.

Коротко о главном

Чугун представляет собой железно-углеродный сплав. Он необходим там, где предъявляются высокие требования к долговечности и надежности; из него плавят сталь, производят множество элементов, от деталей для станков и двигателей, до труб, сковородок и ванн. Его свойства и способ использования зависит от состава, так как дополнительные компоненты меняют его механические характеристики.