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.

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%.

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).

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.

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.

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.

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.

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 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.

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.

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.