Чугун — сплав железа с углеродом и другими элементами, содержащий не менее 2,14% углерода. Сплавы с более низким содержанием углерода 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.
Температура плавления чугуна — от 1150-1 200°C (2100-2 190°F), что примерно на 300°C (572°F) ниже, чем у чистого железа.
Чугун и производимая из него в кислородных конвертерах сталь являются основой современной техники и технологии. В ряду конструкционных материалов они, безусловно, стоят на первом месте и не уступят его еще долгое время, несмотря на все более широкое применение легких цветных металлов, полимерных и керамических материалов. (Уже сегодня число сплавов на основе железа превысило 10 тысяч!)
Виды чугуна
Белый чугун
Название получил благодаря тому, что цементит в изломе светлый.
Весь углерод в белом чугуне находится в связанном виде – Fe3C. В зависимости от количества углерода делятся на:
— эвтектические (4,3 % углерода);
— заэвтектические (4,3-6,67 % углерода).
Белые чугуны применяются в основном для изготовления ковких чугунов, которые получают путём отжига.
Серый чугун
Излом такого чугуна из-за наличия графита имеет серый цвет.
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.
Ковкий чугун
Ковкий чугун получил своё название из-за повышенной пластичности и вязкости (хотя обработке давлением не подвергается).
Ковкий чугун получают длительным отжигом белого чугуна, в результате которого образуется графит хлопьевидной формы. Металлическая основа такого чугуна: феррит и реже перлит.
Маркируется ковкий чугун двумя буквами и двумя числами, например КЧ 370-12. Буквы КЧ означают ковкий чугун, первое число — предел прочности (в МПа) на разрыв, второе число — относительное удлинение (в процентах), характеризующее пластичность чугуна.
Ковкий чугун обладает повышенной прочностью при растяжении и высоким сопротивлением удару. Из ковкого чугуна изготавливают детали сложной формы.
Высокопрочный чугун
Высокопрочный чугун имеет в своей структуре шаровидный графит, который образуется в процессе кристаллизации. Шаровидный графит ослабляет металлическую основу не так сильно, как пластинчатый, не является концентратором напряжений, что повышает прочность материала.
Наиболее часто высокопрочный чугун применяется для изготовления изделий ответственного назначения в машиностроении, а также для производства высокопрочных труб (водоснабжение, водоотведение, газо-, нефте-проводы). Изделия и трубы из высокопрочного чугуна отличаются высокой прочностью, долговечностью, высокими эксплуатационными свойствами.
История чугунолитейного производства
Историей чугуна всегда представляла интерес лишь для сравнительно узкого круга специалистов. Хотя роль этого “неприметного” с виду материала в развитии производительных сил в различные эпохи трудно переоценить.
Чугун как литейный материал был изобретен и освоен в Китае до нашей эры, о чем свидетельствуют четырехзарядная чугунная пушка, отлитая в V веке до н.э. и другие чугунные отливки, самой крупной из которых считается «лев» высотой около 6 м и длиною 5,4 м. По письменным свидетельствам, появление чугуна в Китае относится, по меньшей мере к VI веку до н.э. Несмотря на это существует мнение, что литье чугуна было освоено только 600 лет назад. В первую очередь такие разногласия объясняются тем, что в Европе долгое время производили сыродутное железо. Например, высокоразвитые скифские племена, проживавшие с VIII в до н.э. до конца II века н.э., чугунного литья не знали.
Феномен опережения китайцами на полторы тысячелетия в вопросе производства чугуна объяснить достаточно просто. Из всех известных в древнем мире стран, только в Китае железо восстанавливалось из руды каменным углем, тогда как другие использовали древесный.
Применяемая руда содержала от 0,5 до 1% Р, так что чугун, полученный из этой руды, не должен содержать свыше 1% Р. Отливки же содержали от 5 до 7% Р, причем дополнительное количество было получено из угля. Таким образом, китайцы научились получать сплав, близкий к фосфидной эвтектике, т.е. металл с точкой плавления примерно на 100° ниже бронзы. Этим объясняется и сравнительно широкое распространение чугунных отливок в Китае в давно прошедшие времена и тот, на первый взгляд удивительный, факт, что ни Индия, ни Греция, ни Фергана, ни Россия, покоренная Батыем, имевшие возможность познакомиться с китайским опытом, не могли развить это производство у себя, так как не имели подходящего сырья.
Но все-таки главной причиной успеха китайцев в производстве чугуна пожалуй является то, что они более чем на 1500 лет раньше европейцев научились добывать руды и достигли больших успехов в области плавки бронзы и устройства печей к моменту появления железа.
Необъятная монгольская империя в значительной степени облегчила ознакомление европейцев с культурными достижениями китайцев и жителей Средней Азии. Период нашествия татар, сопоставимый по датам путешествиями первых европейских послов-разведчиков на Восток — Плано де Карпини (1246), Асцелина (1247), Марко Поло и других, помогли на ряду с шелком и порохом проникнуть и технологии литья чугуна.
Древняя Русь имела непосредственные связи с Золотой Ордой, в столице которой проживало много русских, имевших там отдельные торговые и ремесленные ряды и даже отдельную епархию, и была в более благоприятных, нежели западные страны, условиях для освоения китайских и хорезмийских достижений в области техники. Поэтому логично, что русское слово — чугун происходит от таджикского слова «чуян» (по татарски «чуен»). Этот термин и для таджиков, и для татар является принесенным извне, а именно от китайцев, у которых термин «чу» («чжу») соответствует глаголу «лить», а термин «гун» равнозначен названию «литейное дело» (производство).
На Руси уже при Василии III отливались чугунные ядра, а при Иване Грозном отливались и чугунные колокола и пушки, то есть – к этому времени чугунолитейное дело на Руси уже имело долголетнюю практику.
Тем не менее, в России развитие чугунолитейного производства как бы вновь началось параллельно с Европой, когда изобретение более мощных воздуходувных устройств дало возможность перейти к более высоким печам для получения железа, в которых чугун получался вследствие науглероживания восстановившегося железа, на первых порах неожиданно для тогдашних металлургов. Кроме того устойчивый спрос на чугунные ядра, а затем и чугунные пушки создал прочную экономическую основу для молодого производства.
Как самостоятельная отрасль промышленности, чугунолитейное производство выделилось металлургии лишь в конце ХІХ – начале ХХ веков с появлением небольших печей (вагранок), способных плавить металл, обеспечивая достаточный его перегрев и обеспечивая расплавленному чугуну достаточную жидкотекучесть и другие литейные свойства. При литье чугуна перестали использовать только металл первой плавки, а сам чугун стал распространенным конструкционным материалом.