Чугун — это сплав на основе железа, содержащий примерно от 2 до 4 процентов углерода, а также кремний, марганец и небольшие количества серы и фосфора. Именно содержание углерода является основным отличием чугуна от стали. Чтобы сплав железа можно было отнести к чугуну, содержание углерода в нём должно превышать 2 процента; для сравнения: литая сталь обычно содержит от 0,1 до 0,5 процента углерода.
Название может ввести в заблуждение. Поскольку в названии присутствует слово «железо», иногда считается, что чугун близок к чистому железу. На самом деле углеродистые стали содержат больше железа, чем большинство видов чугуна. Чугун — это не один металл, а целая группа сплавов, и различия между представителями этой группы гораздо существеннее, чем можно было бы предположить, исходя из общего названия. У этого семейства богатая история: китайские литейные заводы производили чугун ещё в VI веке до н. э., и сегодня он по-прежнему широко используется в промышленности.
Из чего изготавливают чугун?
Чугун — это сплав, в котором железо является основным металлом, а углерод — определяющим элементом. Содержание углерода обычно составляет от 2 до 4 процентов; в небольших количествах добавляются кремний и марганец, а содержание серы и фосфора поддерживается на низком уровне. Эти элементы добавляются специально для изменения свойств металла и получения определённых марки чугуна.
На практике большое значение имеет форма, в которой присутствует углерод. Графит делает металл более мягким и легким в обработке, тогда как карбид железа делает его более твердым и хрупким. Кремний способствует образованию графита при охлаждении, поэтому его содержание регулируется одновременно с содержанием углерода.
| Элемент | Типичная сумма | Роль |
|---|---|---|
| Железо (Fe) | Баланс | Недрагоценный металл; обеспечивает прочность и магнитные свойства |
| Углерод (C) | 2–4% | Представляется в виде графита (более мягкого, лучше поддающегося механической обработке) или карбида железа (более твердого, более хрупкого) |
| Кремний (Si) | 1–3% | Способствует образованию графита в процессе затвердевания |
| Марганец (Mn) | 0,5–11 TP3T | Нейтрализует ослабляющее действие серы |
| Сера (S) | До примерно 0,081 TP3T | Содержание на низком уровне; избыток серы повышает хрупкость |
| Фосфор (P) | До примерно 1% | Повышает текучесть и жесткость |
Состав определяет структуру, а структура — свойства готовой детали. Две отливки, которые одинаково называются «чугун», могут демонстрировать совершенно разные характеристики, если их состав или условия охлаждения различаются.
Как изготавливают чугун?
Название происходит от самого производственного процесса. Железная руда восстанавливается в доменной печи до расплавленного железа, которое разливаются в сырые слитки, исторически называемые «свиньями». Слитки переплавляются в купольной печи вместе со стальным ломом и легирующими элементами, их состав корректируется для достижения требуемого качества, а подготовленный расплав разливаются в форму.
Расплавленный чугун имеет лучшую текучесть, чем сталь, и плавится при более низкой температуре. Обе эти характеристики делают его подходящим материалом для литья: сложные полости формы заполняются быстрее, а затраты энергии на плавление остаются в разумных пределах.
Затвердевание — это еще не конец. После охлаждения отливки удаляются литниковые каналы, подводы и обломок, а в зависимости от марки материала и чертежа могут следовать термообработка, механическая обработка, отделка поверхности или контроль качества. Форма придает детали форму, а последующие операции определяют её конечные свойства.
Виды чугуна
Чугун классифицируется по форме углерода в его составе. Именно эта единственная структурная особенность определяет обрабатываемость, вязкость, износостойкость и амортизационные свойства, поэтому перед выбором марки необходимо определить тип чугуна.
Серый чугун
Серый чугун содержит графит в виде чешуек. При разрушении отливки из серого чугуна трещина проходит вдоль чешуек, а поверхность излома имеет серый цвет, отчего и произошло это название. Благодаря чешуйчатой структуре серый чугун легко поддается механической обработке и обладает хорошими виброгасящими свойствами.
Такая структура сопряжена с определенными недостатками. Серый чугун менее пластичен, чем другие виды чугуна, и обладает более низкой прочностью на разрыв. Он подходит для деталей, подвергающихся преимущественно сжимающим нагрузкам или требующих гашения вибраций, а для деталей, подвергающихся повторяющимся ударным нагрузкам, целесообразнее рассмотреть другие марки чугуна.
Белое железо
Белое чугун практически не содержит графита. Углерод присутствует в основном в виде карбида железа, что придает поверхности излома белый цвет и делает материал твердым и хрупким. Белое чугун обладает высокой прочностью на сжатие и превосходной износостойкостью, поэтому его используют для изготовления измельчающих элементов, износостойких пластин и других деталей, подверженных интенсивному истиранию.
Хрупкость ограничивает сферу его применения. Белое чугун не деформируется перед разрушением, и в областях, где его используют, с этим свойством мирятся в обмен на срок службы, превосходящий срок службы более мягких материалов.
Легированный чугун
Ковкий чугун изначально представляет собой белый чугун, который преобразуется в результате длительной термической обработки. В ходе этой обработки карбид железа распадается, и углерод выделяется в виде плотных частиц графита, благодаря чему материал приобретает свойства, отличающиеся от свойств хрупкого белого чугуна, из которого он был получен.
Эта технология была разработана во Франции в XVIII веке. Ковкий чугун по-прежнему остается предпочтительным материалом для изготовления тонкостенных и сложных отливок, требующих определённой вязкости, а его свойства близки к свойствам высокопрочного чугуна.
Ковкий чугун
Ковкий чугун, также называемый чугуном с шаровидным графитом, получают путем добавления магния в расплав, благодаря чему графит затвердевает в виде сфероидов, а не чешуек. Круглая форма графита заметно повышает вязкость и прочность по сравнению с серым чугуном и придает материалу лучшую ударопрочность.
Ковкое чугун был разработан в США и Великобритании в 1948 году и стал одним из основных видов инженерных материалов, используемых для изготовления зубчатых колес, штампов, коленчатых валов и многих других деталей машин. Сродственный ему вид — чугун с уплотнённым графитом — отличается червякообразной структурой графита и по своим эксплуатационным характеристикам занимает промежуточное положение между серым и ковким чугуном. Для деталей, требующих прочности чугуна с высоким содержанием углерода при серийном производстве, наше руководство по ковкому чугуну следует пересмотреть до того, как оценка будет окончательно зафиксирована.
Свойства чугуна
Чугун выбирается по ряду свойств, характерных для всех марок:
- Прочность на сжатие. Чугун выдерживает большие нагрузки без деформации, что делает его подходящим материалом для колонн, оснований машин и несущих конструкций.
- Твёрдость и износостойкость. Этому способствуют как графит, так и карбид, что благоприятно сказывается на поверхностях, находящихся в постоянном контакте, таких как зубчатые колеса, поршни и износостойкие пластины.
- Демпфирование. Серый чугун поглощает вибрацию примерно в 20–25 раз лучше, чем сталь, и производители станков используют эту особенность уже более века.
- Обрабатываемость. В частности, серый чугун поддается чистой резке, поскольку чешуйки графита выполняют функцию стружколома и сухой смазки.
- Сохранение тепла. Чугун хорошо аккумулирует и удерживает тепло; те же свойства присущи посуде, формам, штампам и деталям печей.
- Стоимость. Благодаря широко распространённым легирующим элементам и экономичности технологического процесса чугун по-прежнему остаётся одним из наиболее доступных инженерных материалов.
Где применяется чугун?
Чугун применяется в тех случаях, когда твердость, износостойкость, амортизирующие свойства или экономичность имеют большее значение, чем вязкость при растяжении. Области применения естественным образом делятся по маркам:
- Автомобилестроение и машиностроение: тормозные диски, шестерни, звездочки, цепи, поршневые кольца и блоки цилиндров.
- Работа с жидкостями: корпуса насосов, корпуса клапанов и трубная арматура (см. наш Пример из практики: литье корпуса клапана).
- Инструменты и изнашиваемые детали: штампы, формы, станины станков и износостойкие детали.
- Архитектура и коммунальное хозяйство: крышки люков, декоративные изделия из кованого железа, несущие основания и решетки.
- Энергетика и горнодобывающая промышленность: горное оборудование, коленчатые валы и корпуса тяжелого назначения.
Чугун с узелковой структурой — производитель чугунных отливок
Именно в принятии такого рода решений может помочь литейное предприятие. Отправьте чертеж, условия эксплуатации и объемы [нашим инженерам](/contact-us/), и позвольте им проанализировать марку материала, технологический процесс формования и этапы отделки до того, как будет принято решение об изготовлении пресс-форм. Решение этих вопросов на раннем этапе обходится дешевле, чем их исправление после начала производства.
