Все о чугуне

Знать все о чугуне, о том, что это такое, и из чего состоит чугун, крайне рекомендуется любому потребителю металлургической продукции. Стоит изучить информацию из ГОСТа, сведения о получении такого металла не менее важно, чем определение чугунного сплава. Отдельно понадобится разбираться с видами, с составом и нюансами производства, со свойствами сплава и тонкостями его применения.

Как и сталь, чугун состоит из железа, смешанного с некоторым количеством углерода, но разницей в концентрации карбонового компонента дело не ограничивается. Сама эта доля составляет минимум 2,14%, чаще — несколько большую величину. При этом само определение предусматривает вхождение в состав сплава еще и ряда других металлов, перечень и количество которых определяется индивидуально. Окончательное решение принимают технологи, отталкиваясь от тех свойств, которых требуется достигать.

При затвердении в печи чугун неизменно формирует эвтектику. Его углеродная структура бывает представлена как цементитом, так и графитом. В зависимости от нее, а также от содержащихся примесей, меняются свойства готового продукта. При производстве чугуна могут добавлять марганец, легирующие компоненты. А также это может быть и сплав железа с кремнием и углеродом, концентрация которого иногда превышает 6,67%.

Методика выработки чугуна постоянно улучшается. В большинстве случаев исходными материалами для этого процесса оказываются:

• железная руда различных типов;

• топливо (для проведения реакций и разогрева);

• разного рода флюсы.

В составе руды должно присутствовать железо (в относительно чистом виде или в соединениях). Количество этого компонента и его химическое состояние оценивают, чтобы установить перспективы промышленного получения металла. Пропорции между основными расплавляемыми элементами подбирают весьма строго, учитывая нюансы технологического процесса и специфику исходного сырья. Основную роль в чугунолитейной практике получили окислы и сульфиды железа, а также шпаты. Именно эти 3 категории соединений наиболее часто встречаются во всех основных железорудных районах.

В ряде случаев металлурги используют красные, бурые, шпатовые и магнитные железняки. Сам чугун выплавляют, используя топливо с повышенной теплотворной способностью. Это свойство, а также ограничение на концентрацию серы, требования по пористости и прочности делают каменноугольный кокс почти безальтернативным решением. В редких случаях вместо него применяют древесный уголь. Чтобы улучшить отделение пустой породы и золы, добавляют флюсы.

В зависимости от состава и легкоплавкости шлаков меняется процесс доменной плавки и состав чугуна. Руды готовят к плавке предварительно. Большие фрагменты дробят и измельчают на специализированных машинах. В норме фрагменты должны быть величиной 3-10 см. Слишком мелкие куски отбраковывают в грохотах и отправляют спекаться при 1100-1200 градусах.

Руду нужно будет еще и промыть водой — для первичного удаления пустой породы. Потом сырье обжигают, чтобы подсушить его и убрать скопившуюся углекислоту. Попутно выжигается сера. В некоторых случаях прибегают к магнитному обогащению. Доменный процесс — один из основных способов выработки чугуна на практике.

Внутри домен создается очень высокая температура. Исходные компоненты преобразуются в чугунный сплав. Выделяются, обособляются при этом доменные газы и шлаки. С химической точки зрения правильно будет говорить о «восстановлении» железа углеродной окисью. Процесс идет плавно, без резких скачков.

Некоторые предприятия пользуются восстановлением железа водородом. А также практикуется восстановление твердым углеродом, или прямое восстановление. Высокопрочный чугун получают во многом благодаря науглероживанию железа. Усиленное насыщение углеродом начинается при 500 градусах. После расплавления и прогрева до высокой температуры расплав стекает по расплавленному коксу, что повышает эффективность науглероживания.

Завершение процесса происходит ниже шлаковой летки. В этот момент соотношение углерода и железа определяется содержанием иных компонентов.

На передельный чугун распространяется ГОСТ 805 от 1995 года. В нормативе даны рекомендации по содержанию конкретных веществ. Массовая доля меди может составлять не более 0,3%. Доля боя в чушках достигает максимум 2%. Чушки весят от 18 до 55 кг.

Определить тепловую емкость чугунного сплава удается за счет правила смещения. Описывать его подробно, однако, не имеет смысла — технологи и так знают, а для остальных это пустая информация. Теплопроводность и температуропроводность чугунных образцов в первом приближении совпадают. Плавится чугун обычно при 1200 градусах, тогда как у стали этот показатель примерно 1500 градусов. Особенностью механических свойств продукта будет увеличенная прочность, но при этом малая стойкость к динамической нагрузке.

В связи с особенностями кристаллической решетки чугун отличается хрупкостью. Его удельный вес определяется объемом связанного углерода и уровнем пористости. Большое влияние оказывает присутствие иных примесей. Пределы прочности и пластичность зависят от структуры на уровне кристаллической решетки и распределения молекулярных групп. Упругость предопределяется формой графита. Твердость зависит от количества и размеров графитовых включений, а также от дисперсности перлита.

Этот вид сплавов занимает в классификации чугунов особое место. В нем присутствует заметное количество цементитов. Название связано с поверхностью специфического белого цвета. Если материал получает излом, то появляется хорошо наблюдаемый блеск. Доля графита не превышает 3/10 процента от общей массы образца. Идентификация такого компонента возможна лишь путем спектрального анализа.

Доэвтектическим считается белый чугун, в котором доля углерода не более 4,3%. Этот элемент представлен перлитом, ледебуритом, вторичным цементитом. Подобная структура достигается после полного остужения материала. Эвтектический сплав имеет ровно 4,3% углерода. При дальнейшем росте карбонизации говорят уже о заэвтектическом продукте.

Подобное название, как нетрудно догадаться, связано с серой расцветкой излома. Но такой признак не совсем точен. Он может присутствовать и у ковкого металла, о котором еще пойдет речь. С другой стороны, даже в ГОСТ ошибочно был включен под названием «серый чугун» также литейный сплав с вхождением заметного количества пластинчатого графита. За границей классификация более точна, но корректировать устоявшуюся терминологию смысла нет — нужно просто помнить этот нюанс.

Серые чугуны бывают:

• перлитного;

• феррито-перлитного;

• ферритного типов.

Вопреки названию, такой сплав находит применение также при отливке. Встречаются варианты с ферритной либо перлитной основой. Отливка, лишенная производственных дефектов, может быть пригодна для работы при давлении до 20 МПа, а иногда и выше. Уровень обрабатываемости примерно тот же, что и у особо прочного сплава. Сам ковкий чугун формируют на основе белого сплава.

Доля углерода варьируется от 2,4 до 2,8%. Графит внутри имеет хлопьевидную структуру. Конкретная структура определяется температурным режимом обработки и добавляемыми легирующими компонентами. Упомянутые хлопья позволяют сочетать прочность и пластичность. Все поперечное сечение имеет идентичные свойства.

Повышенные механические свойства такого металла обусловлены вхождением шаровидного графита. Износостойкость и стойкость к коррозионным изменениям могут считаться сильными сторонами материала. Часть марок такого продукта имеет отличный уровень теплостойкости и даже жаростойкости, антифрикционные свойства и превосходную обрабатываемость. Чем выше качество конкретной разновидности сплава, тем тяжелее его получить. Иногда приходится вводить молибден и различные комплексные пластификаторы.

Высокопрочный чугун больше обычного подвержен дефектам при усадке. Зато он стойко противостоит всем температурным колебаниям. Свариваемость лучше, чем у обычных высокоуглеродистых сплавов. Допускается вполне резка автогеном. Иногда для увеличения прочности добавляют магний и церий.

Такой чугун используют не сам по себе, а как сырье в дальнейшем выпуске стали. Сам передел проводят в кислородных конвертерах, изредка — в мартеновских печах. Передельный сплав формируют в чушки. У них иногда нет пережимов, но встречаются также экземпляры с 1 или 2 пережимами. Содержание кремния и марганца сильно ограничено.

Высококачественный передельный чугун имеет минимальное количество серы и фосфора. На долю такого металла приходится основная часть чугунолитейного производства. Процент различных примесей утверждается нормативными стандартами.

Подобные сплавы имеют не просто приличные механические и технологические параметры. Они отличаются привлекательным уровнем износостойкости. Иногда отмечается превосходная химическая стойкость и отменные магнитные свойства. Легированные чугуны встречаются в нескольких десятках марок. Теплостойкость таких веществ превышает иногда 1000 градусов.

Однако стандартная рабочая температура все же составляет обычно 500-700 градусов. Отливки из специальных чугунов могут подвергаться специальной термообработке. Жаростойкость часто достигается путем улучшения кремниевыми добавками. Хорошими примерами являются:

• ЧХ3;

• ЧХ16;

• ЧХ22С;

• ЧС5Ш;

• ЧС17.

Чугун находит применение в отливках корпусных и иных деталей. Изготовители высоко ценят подобный материал там, где нужна особенная прочность или сопротивляемость износу. Речь может идти про зубчатые колеса и кронштейны. А также сюда относятся станины различных станков, шабровочные плиты, насосные корпуса и корпуса золотников. Сочетание твердости с хорошими литейными свойствами очень привлекательно в самых разных областях применения сплава.

Так, эти параметры ценны для декоративных решеток, скульптур и так далее. А также стоит упомянуть:

• ванны;

• кастрюли и сковороды;

• цилиндры для ДВС;

• коленвалы;

• домашние печи;

• винтовые лестницы;

• балконные ограждения;

• светильники;

• трубы;

• кухонные мойки;

• железнодорожные вагоны;

• сельхозтехнику.

Термический расплав чугуна вызывает проблемы. Перекалить такой металл электрической дугой бывает нетрудно. Поры могут возникать очень легко. В случае сильного нагрева расплав будет стремительно переходить в жидкую фазу. Сварочные работы стоит производить в режиме TIG либо MIG/MAG.

Изредка применяют ручную сварку в стиле MMA. Проще всего самим сварщикам применять холодный метод, но предварительный разогрев и поддержание температуры повышает качество обработки. Преимущественно применяют электроды, включающие медь, никель и железо. Настоятельно рекомендовано предварительное расширение кромок. Крупные строительные конструкции варят холодным методом.

Сверлить чугун надо типовыми твердосплавными сверлами. Их следует тщательно затачивать. Практика механической обработки подразумевает заточку под углом 116-118 градусов. Крупные отверстия необходимо пробивать сверлами с победитовыми напайками. В условиях промышленной обработки используют станки с подачей эмульсии тонкой струей.