Каким свойством обладает чугун
У этого термина существуют и другие значения, см. Чугун (значения).
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.
Этимология[править | править код]
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).
История[править | править код]
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 — 9 516 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.
Объёмы производства[править | править код]
В 1892 году Германия производила 4,9 миллиона тонн чугуна, против 6,8 в Англии, а в 1912 году уже 17,6 против 9,0[18]
Мировое производство чугуна в 2009 году составило 898,261 млн тонн, что на 3,2 % ниже, чем в 2008 году (927,123 млн т)[19]. Мировая топ-десятка стран-производителей чугуна выглядит следующим образом:
| 1 | Китай | 543,748 млн т |
| 2 | Япония | 66,943 млн т |
| 3 | Россия | 43,945 млн т |
| 4 | Индия | 29,646 млн т |
| 5 | Южная Корея | 27,278 млн т |
| 6 | Украина | 25,676 млн т |
| 7 | Бразилия | 25,267 млн т |
| 8 | Германия | 20,154 млн т |
| 9 | США | 18,936 млн т |
| 10 | Франция | 8,105 млн т |
За четыре месяца 2010 года мировой выпуск чугуна составил 346,15 млн тонн. Этот результат на 28,51 % больше по сравнению с аналогичным периодом 2009 года.[20]
Виды чугуна[править | править код]
Белый чугун[править | править код]
Микроструктура белого чугуна
Микроструктура белого чугуна при 100-кратном увеличении
В белых чугунах весь углерод находится в связанном виде (Fe3C). В зависимости от количества углерода делятся на:
- доэвтектические (2,14—4,3 % углерода);
- эвтектические (4,3 % углерода);
- заэвтектические (4,3—6,67 % углерода).
Цементит в изломе — светлый, поэтому такие чугуны назвали светлыми. Белые чугуны применяются в основном для изготовления ковких чугунов, которые получают путём отжига.
Серый чугун[править | править код]
Серый чугун — это 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.
Ковкий чугун[править | править код]
Ковкий чугун получают длительным отжигом белого чугуна, в результате которого образуется графит хлопьевидной формы. Металлическая основа такого чугуна — феррит и реже перлит. Ковкий чугун получил своё 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 изготавливают детали сложной формы: картеры заднего моста автомобилей, тормозные колодки, тройники, угольники и т. д.
Маркируется ковкий чугун двумя буквами и двумя числами, например КЧ 37-12. Буквы КЧ означают ковкий чугун, первое число — предел прочности на разрыв (в десятках мегапаскалей), второе число — относительное удлинение (в процентах), характеризующее пластичность чугуна.
Высокопрочный чугун[править | править код]
Высокопрочный чугун имеет в своей структуре шаровидный графит, который образуется в процессе кристаллизации. Шаровидный графит ослабляет металлическую основу не так сильно, как пластинчатый, и не является концентратором напряжений.
Передельный чугун[править | править код]
Передельный чугун не используется как самостоятельный материал, а применяется для дальнейшей переработки в сталь.
Классификация[править | править код]
В зависимости от содержания углерода серый чугун называется доэвтектическим (2,14—4,3 % углерода), эвтектическим (4,3 %) или заэвтектическим (4,3—6,67 %). Состав сплава влияет на структуру материала.
В зависимости от состояния и содержания углерода в чугуне различают: белые и серые (по цвету излома, который обуславливается структурой углерода в чугуне в виде карбида железа или свободного графита), высокопрочные с шаровидным графитом, ковкие чугуны, чугуны с вермикулярным графитом. В белом чугуне углерод присутствует в виде цементита, в сером — в основном в виде графита.
В промышленности разновидности чугуна маркируются следующим образом:
- 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 чугун:
- 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.
Галерея[править | править код]
- Примеры изделий из чугуна
Чугунная лестница
Чугунный угольный утюг
- Чугунные мосты
Упавший мост через Тэй с севера (1880)
Чугун в искусстве[править | править код]
- В повести Булгарина Правдоподобные небылицы (1824) описаны чугунные желоба для ездовых машин и чугунные дома.
- Чугун — Научно-популярный фильм, производство Свердловская киностудия.
- Дети чугунных богов (1993) — кинофильм.
- Чугунный скороход (1996) — музыкальная группа.
См. также[править | править код]
- Чёрная металлургия
- Металлургический комбинат
- Сталь
Примечания[править | править код]
Литература[править | править код]
- Ю. М. Лахтин, В. П. Леонтьева. Материаловедение. — М.: Машиностроение, 1990. — 528 с.
- Вегман Е. Ф., Жеребин Б. Н., Похвиснев А. Н. и др. Металлургия чугуна. — Москва: Академкнига, 2004. — 774 с. — ISBN 5-94628-120-8.
- Physics and chemistry of solid state, № 4, 2014, vol. 15.
Чугун является соединением железа с углеродом. Среди главных свойств можно выделить массу, форму, объем и размещение графитных примесей. В состоянии термодинамического равновесия строение сплавов железа с углеродами можно описать диаграммой. Во время модифицирования состава изменяется:
• температура эвтектики (оС) Т = 1135 + 5*Si — 35*P — 2*Mn + 4*Cr;
• насыщенность эвтектики углеродом (%) С = 4,3 – 0,3*(Si+P) – 0,04*Ni – 0,07*Cr;
• температура эвтектоидного превращения (оС) T = 723 + 20*Si + 8*Cr — 30*Ni — 10*Cu — 20*Mn;
• насыщенность эвтектоида углеродом (%) C = 0,8 – 0,15*Si – 0,8*Ni – 0,05*(Cr+Mn).
Размещение критических точек зависит от степени нагрева – в случае охлаждения они перемещаются немного вниз. Установлены максимально точные простые формулы для подавляющего числа марок чугуна, не содержащего легирующих компонентов:
• насыщенность эвтектики углеродом C = 4,3 – 0,3*(Si+P);
• насыщенность эвтектоида углеродом C = 0,8 – 0,15*Si.
Воздействие соединений на строение можно увидеть в таблице 1. Коэффициенты, определяющие условное графитизирующее воздействие, можно брать во внимание лишь в случае наличия углерода (C) (около 3 %) и кремния (Si) (около 2 %).
Таблица 1. Ориентировочное влияние элементов на структуру чугуна
Элементы | Содержание в % | Влияние | Относительное графитизирующее действие | ||
На основную металлическую массу | На графит | При затвердевании | В твердом состоянии | ||
Кремний | до 3,0 | Уменьшение содержания перлита | Увеличение количества и укрупнение | +1,0 | +1,0 |
Углерод | более 1,7 | Уменьшение содержания перлита | Увеличение количества и укрупнение | +1,0 | от +0,2 до +0,5 |
Марганец | более 0,8 | Размельчение перлита | Слабое размельчение | -0,2 | от -0,2 до +0,5 |
Фосфор | до 1,0 | Образование сернистого марганца | То же, но уменьшение количества | -0,2 | от -0,2 до +0,5 |
Сера | до 0,2 | Образование сульфидов | Уменьшение количества | -2,0 | от -2 до -4 |
Никель | до 1,5 | Размельчение перлита | Увеличение количества и слабое размельчение | +0,4 | от +4 до -0,2 |
Хром | до 1,0 | Размельчение перлита | Уменьшение количества и слабое размельчение | -1,2 | от -1,2 до -3,0 |
Медь | до 1,0 | Не влияет | Не установлено | +0,3 | от +0,3 до -0,2 |
Молибден | до 0,5 | Размельчение перлита. Образование игольчатой структуры | Уменьшение количества. Значительное размельчение | -0,5 | от -0,5 до -1,5 |
Ванадий | до 0,5 | Размельчение перлита | Уменьшение количества. Значительное размельчение | -2,0 | от -2 до -3 |
Алюминий | до 0,5 | Уменьшение содержания перлита | Увеличение количества и укрупнение | +3,0 | +10 |
Церий и магний | — | — | Сфероидинизация | — | — |
Физико-механические свойства
Самые важные показатели физико-механических свойств микроструктуры чугуна можно найти в табл. 2, физических свойств – в табл. 3. Указанный в 3-й табл. удельный вес способен сильно отклоняться в связи с колебаниями объема соединенного углерода и изменениями количества пор. Удельная масса чугуна в момент его плавления равняется 7 ± 0,1 г/см3. При добавлении различных простых примесей она снижается. На указанный в таблице 3 коэффициент теплового расширения влияет строение чугуна.
Сильный невозвратимый прирост объема происходит в случае изменения температуры, при которой в физической системе происходит равновесный фазовый переход. Показатель может достичь 30 %, но зачастую он не превышает 3 % при разогреве до 500 оС. Приросту объема способствуют компоненты, образующие графиты, а мешают – компоненты, образующие карбиды, а также покрытие чугуна методом эмалирования, металлизирования и гальванизации.
Таблица 2. Физические и механические свойства структурных, составляющих нелегированного чугуна
Структурная составляющая | Удельный вес Г/см3 | Коэффициент теплового линейного расширения a*10 — в 1/оС при температурах 20 -100 оС | Теплоемкость в кал/Г*oС при температуре в оС | Теплопроводность в кал/см*сек оС | Электросопротивление в мкОм 9 см | Предел прочности при растяжении σ в в кГ/мм2 | Удлинение σ в % | Твердость НВ | ||||
100 | 200 | 400 | 600 | 900 | ||||||||
Аустенит | — | 17-24 | 0,12 | — | — | — | — | 0,1 | — | — | 50±10 | — |
Феррит | 7,9 | 12-12,5 | 0,11 | 0,12 | 0,13 | 0,13 | 0,17 | 10 | 40±10 | 40±10 | 40±10 | 85±35 |
Перлит | 7,8 | 10-11 | — | — | — | — | — | 0,12 | 20 | 100±30 | — | — |
Цементит | 7,7 | 6-8,5 | 0,15 | 0,15 | 0,15 | 0,16 | 0,19 | 0,017 | 140 | 4±1 | 600±100 | |
Графит | 2,2-2,3 | 7,5-8 | 0,2 | 0,22 | 0,27 | 0,31 | 0,36 | 0,036 | 150 | |||
Тепловые свойства
Показатель теплоемкости чугуна конкретного состава можно установить по закону смешения, используя информацию, приведенную в таблице 2. Она может равняться 0,00018 ккал/(г•оС) при преодолении температурой порога фазового перехода, вплоть до температуры плавления. После преодоления температуры плавления – 0,00023 ± 0,00003 ккал/(г·оС). Тепловой эффект при застывании равняется 0,055 ± 0,005 ккал/г, а в случае эвтектоидного распада аустенита обуславливается объемом включенного перлита, и может достигать 0,0215 ± 0,0015 ккал/г при эвтектоидной концентрации 0,8 % Ссв.
Теплоемкость единицы объема этого вещества может использоваться для укрупненных вычислений: для чугуна в твердом состоянии – приблизительно 0,001 ккал/см3·оС, а в жидком состоянии – 0,0015 ккал/см3·оС.
Теплопроводность нельзя установить по закону смешения; указанные в табл. 2 ее показатели для элементов, при росте их размеров в дисперсных системах, понижаются. Типичные показатели теплопроводности указаны в табл. 3. Роль входящих в чугун компонентов в изменении теплопроводности можно увидеть на отклонениях уровня графитизации. Показатели теплопроводности железа снижаются при повышении объема входящих в него различных добавок.
Чугун в расплавленном состоянии имеет теплопроводность около 0,04 кал/см·с·оС.
С использованием укрупненных вычислений, коэффициент теплопроводности чугуна в твердом состоянии приравнивается к его теплопроводности, а в расплавленном состоянии – к 0,3 мм2/с.
Таблица 3. Типичные физические свойства чугуна
Тип чугуна | Белый | Серый | Ковкий | Примечание, с повышением температуры: «+» — повышается; «-» — понижается |
Удельный вес Г/см3 | 7,5±0,2 | 7,1±0,2 | 7,3±0,1 | — |
Коэффициент теплового линейного расширения a·10-в1/оС, при температурах 20-100 оС | 8±2 | 10±2 | 11±1 | + |
Действительная усадка в % | 1,8±0,2 | 1,1±0,2 | — | + |
Теплопроводность в кал/см·сек оС | 0,08±0,2 | 0,10±0,02 | 0,13±0,02 | — |
Динамическая вязкость при температуре ликвидус дин·сек/см2 | 0,08 | 0,04 | — | — |
Поверхностное натяжение в дин/см2 | 900±100 | 900±100 | — | + |
Электросопротивление в Мк · ом · см | 70±20 | 80±40 | 50±20 | + |
Теплоемкость в кал/Г · оС | 0,13±0,02 | 0,12±0,02 | 0,12±0,02 | + |
Коэрцитивная сила в э | 13±2 | 10±1 | 1,5±0,5 | — |
Остаточный магнетизм в гс | 5000±1000 | 5000±1000 | 5000±1000 | — |
Гидродинамические свойства
Показатели абсолютной вязкости можно найти в табл. 4. Вязкости свойственно снижаться при росте доли марганца, а также в случае понижения части серы и добавок неметаллического происхождения, обусловленного температурными показателями.
Снижение показателей вязкости и соотношение абсолютных температур опыта и момента затвердевания находятся в прямой зависимости. Во время перехода температуры начала затвердевания, показатели вязкости стремительно возрастают.
Данные о поверхностном натяжении чугуна для проведения укрупненных вычислений можно взять из таблицы 3. Оно возрастает со снижением доли углерода и стремительно меняется при добавлении в состав компонентов неметаллического происхождения.
Для определения электрических характеристик можно воспользоваться законом Курнакова. Приблизительные величины примесей можно найти в табл. 2, а, конкретно чугуна – в табл. 3. Воздействие входящих компонентов на электрическое сопротивление твердого вещества условно можно разместить в такой последовательности, по убыванию: кремний (Si), марганец (Mn), хром (Cr), никель (Ni), кобальт (Co).
Таблица 4. Коэффициенты вязкости чугуна
Температура в оС | Коэффициент вязкости в (дин · сек/см2) чугуна с содержанием углерода в % | ||||||
1,0 | 1,5 | 2,0 | 2,5 | 3,0 | 3,5 | 4,0 | |
Чугун застывает белым | |||||||
1250 | — | — | — | — | — | 0,029 | 0,021 |
1300 | — | — | — | — | 0,028 | 0,024 | 0,018 |
1350 | — | — | 0,029 | 0,026 | 0,024 | 0,02 | 0,016 |
1400 | 0,026 | 0,025 | 0,024 | 0,023 | 0,02 | 0,02 | 0,016 |
Чугун застывает серым | |||||||
1280 | — | 0,043 | 0,041 | 0,04 | 0,039 | 0,037 | 0,035 |
1300 | 0,043 | 0,042 | 0,041 | 0,04 | 0,038 | 0,037 | 0,035 |
1350 | 0,04 | 0,04 | 0,039 | 0,038 | 0,037 | 0,036 | 0,035 |
1400 | 0,038 | 0,038 | 0,037 | 0,036 | 0,035 | 0,034 | 0,035 |
Механические свойства
Статистические характеристики. Предел прочности (порог механического напряжения) чугуна можно вычислить качественным путем, исходя из его строения согласно показателям, указанным в таблице 2. Прочность компонентов, входящих в структуру чугуна, растет с повышением их взвешенных размеров в дисперсных системах. На порог механического напряжения наибольшее влияние оказывает строение, численность, объем и расположение графитных составляющих; структура общей массы металла не так важна.
Максимальное уменьшение прочности отмечается при размещении цепочкообразных компонентов графита, делающих структуру металла не такой непрерывной. Максимальные показатели прочности металлу придают сфероидальная структура графита. При увеличении температуры испытательного процесса, порог механического напряжения по большому счету не меняется вплоть до 400 оC (на промежутке от 100 до 200 оC прочность незначительно уменьшается, в пределах 10 – 15 %). После преодоления показателя в 400 оC фиксируется постоянная потеря показателей порога механического напряжения.
Характеристики пластичности обусловлены строением общей массы металла (согласно показателям, приведенным в таблице 2), но еще значительнее – формой графитных примесей. Если форма сфероидальная, то удлинение может доходить до 30 %. В сером чугуне такое удлинение практически никогда не достигает и десятой части процента. Удлинения в обожженном сером чугуне (с ферритным строением) могут составлять приблизительно 1,5 %.
Упругость обуславливается, по большому счету, графитной структурой. Она не меняется в процессе теплового воздействия на чугун, если не вносились изменения в форму графитных примесей. Тесты на изгиб показывают долю упругих деформаций равную 50 – 80 % от всей деформации.
Ползучесть чугуна не стоит путать со случаем роста (необратимого увеличения его объёма). Чугун, в составе которого отсутствуют легирующие компоненты, при нагревании, превышающем 550 оC, характеризуется остаточными деформациями, зависящими от его роста, преобладающими над деформациями, приемлемыми при определении ползучести. Если ее скорость равняется 0,00001 % в час, то за 1 тыс. часов при нагрузке в пределах 3 кг/мм2 серый чугун без легирующих компонентов проявляет устойчивость при температурах в пределах 400 оC, а чугун, содержащий легирующие компоненты – вплоть до 500 оC. Повышения сопротивления ползучести можно добиться у аустенитного чугуна, а также у чугуна с добавкой молибдена или с повышенным наличием никеля и хрома.
Если в чугуне имеются добавки в виде графита, то его модуль упругости будет лишь условным. Этот показатель не обусловлен строением основного объема металла, и характеризуется долей графитных добавок и их строением: он снижается при повышении доли графитных добавок и при уменьшении их схожести с глобулярной структурой.
Ударная вязкость является не совсем точной характеристикой динамических качеств. Она растет с повышением включений феррита, в случае понижения включений графита, а также, когда структура графитной составляющей максимально схожа с шаровидной. При неравномерном периоде нагружений, предел усталости достигает максимума вследствие повышения напряжений, возникающих в направлении приложения нагрузки. Предел усталости повышается при росте порога механического напряжения и повторяемости нагрузок.
Технологические свойства
Жидкотекучесть определяется металлическими свойствами и структурой. Зачастую она зависит от длины заполняемой отливки, и возрастает при понижении вязкостных показателей, повышении перегрева (вместе с тем, больше всего на жидкотекучесть воздействует перегрев сверх температуры начала застывания), понижении промежутка застывания и обуславливается скрытой теплотой плавления и теплоемкости, выраженных объемом.
Химические свойства
Степень противодействия окислению обусловлена строением чугуна и окружающей средой (химический состав, температура и ее протекание). Входящие в состав чугуна элементы имеют электродный потенциал. По уменьшению этой величины их можно расположить в такой последовательности: графит (карбидное железо), двойная или тройная фосфидная эвтектика – оксифер.
Напряжение между графитом и оксифером (ферритом) равняется 0,56 вольтам. Степень противодействия коррозии понижается при соответствующем повышении уровня дисперсности входящих в состав компонентов. Тем не менее, слишком большое понижение уровня дисперсности карбидного железа понижает степень противодействия окислению. Легирующие компоненты воздействуют на способность чугуна противодействовать окислению вместе с их влиянием на структурный состав. Чрезмерное противодействие окислительным процессам отмечается у чугунных отливок со сберегшейся коркой после литья.