Что такое чугун — формула, состав, виды и преимущества
Что такое чугун
Чугун — это сплав железа (Fe) и углерода (C), при этом содержание углерода в сплаве составляет 2,14% и выше. Но при выплавке чугуна, в сплав всегда попадают примеси, а также добавляются легирующие элементы, поэтому данное соотношение всегда относительно, и может изменяться.
По содержанию углерода относительно эвтектики различают три вида чугуна. Эвтектика – состав сплава с минимальной температурой плавления.
Содержание углерода в чугуне ориентировочно составляет 4,3%. Поэтому он подразделяется на следующие виды:
- доэвтектический — 2,14 — 4,3% углерода;
- эвтектический — 4,3% углерода;
- заэвтектический — от 4,3 до 6,67% углерода.
Формула чугуна
Типичный состав чугуна имеет следующие составляющие:
- Железо (Fe) — основа чугунка
- Углерод (С) – 1 — 4,5%
- Кремний (Si) – 0,2 – 3,75%
- Марганец (Mn) – 0,2 – 1,75% (вредная примесь)
- Фосфор (Р) – 0,1 – 1,2% (вредная примесь)
- Сера (S) – 0,02 – 0,08% (вредная примесь)
- Хром (Cr) (легирующий компонент)
- Никель (Ni) (легирующий компонент)
- Молибден (Mo) (легирующий компонент)
Виды чугуна
В основном чугун классифицируют по форме углерода, который содержится в сплаве.
Белый чугун
Белый чугун имеет характерный окрас скола, так как углерод (С) входит в состав в виде цементита (Fe3C), который образуется когда расплав остывает. Цементит – это твердый тугоплавкий материал.
В доэвтектическом сплаве углерод содержится в перлите и ледебурите. В эвтектическом сплавеуглерод входит в состав ледебурита. В заэвтектическом он содержится в первичном цементите и ледебурите.
В первоначальном виде он нигде не используется, т.к. его тяжело обрабатывать инструментами при механической обработке. Конечно, возможно использовать насадки из карбидов (ВК), но трудоемкость процесса очень велика. Поэтому белый чугун используется в качестве сырья для получения ковкого чугуна.
Серый чугун
Серый чугун также берет свое названия от оттенка на сколе. Он имеет в составе фракции графита, которые могут иметь разную форму. При добавке кремния, он способствует осаждению углерода.
Физико-механические свойства, а также структура серого чугуна, зависят от условий остывания после кристаллизации.
Быстрое охлаждение приведет к преобладанию перлита в составе чугуна. Закалка (другими словами термообработка) может повысить прочность и твердость, но при этом чугун становится хрупким, что может быть не приемлемо.
Медленное остывание приводит к росту содержания феррита. Феррит – это сплав железа с оксидами, в основном с Fe2O3. При таких условиях улучшается пластичность.
Поэтому условия, при которых остывает сплав, выбирают, ориентируясь на желаемые параметры конечного продукта.
Серый чугун используется для литых изделий и конструкций (чугунного литья).
Он имеет невысокую температуру отвердения, хорошую жидкотекучесть, нет склоненности к образованию раковин. Серый чугун хорошо реагирует на сжатие, но плохо противостоит растяжению/изгибу. Это происходит из-за углеродных вкраплений, которые приводят к низкой трещиностойкости.
Маркировка серого чугуна состоит из символов СЧ (серый чугун) и цифры, которая обозначает предельную прочность в кг/мм2: например, СЧ35. В наиболее распространенных чугунах содержание углерода ниже 3,7%.
Ковкий чугун
Для производства ковкого чугуна, белый чугун нагревают до необходимой температуры, выдерживают определенное время, и потом медленно охлаждают (процесс называется «отжигом»). Это способствует процессу распада Fe3C и выделению графита с образованием феррита.
При этом включения углерода по не имеют схожести с аналогичными в сером чугуне. Поэтому стойкость к разрыву и ударная вязкость из-за этих различий характерна ковкому чугуну.
Маркировка ковкого чугуна состоит из букв «КЧ» и добавления цифр, которые указывают на допустимую прочность на растяжение в МПа х 10-1 и максимальное относительное удлинение. Например: КЧ 37-12.
Высокопрочный чугун
Высокопрочный чугун это вид серого чугуна, в котором графитовые образования имеют шаровидную форму. Из-за такой округлости включений кристаллическая решетка становится не склонна к образованию трещин.
Высокопрочные чугуны имеют ценные первичные свойства чугунов (стойкость к сжатию, жидкотекучесть и т. д.), при этом имеют характерные для сталей предел текучести при растяжении, трещиностойкость и пластичность.
Маркируется аналогично ковкому, но с буквами «ВЧ».
Передельный чугун
Передельный чугун используется как сырье для выплавки стали. При этом он может даже не покидать предприятие, где его произвели.
Специальный чугун
К таким видам чугуна относят антифрикционный чугун и легированный чугун.
Выпуск этих марок имеет не большой объем, примерно до 2% от всего впускаемого чугуна. Такие виды чугуна могут иметь в составе большое количество легирующих элементов. Сфера использования имеет ограниченные цели и специфические условия.
Антифрикционный чугун может использоваться для изготовления деталей, подвергающихся трению. Основным компонентом для легирования является хром, также могут использоваться никель, титан, медь и другие металлы. Он имеет высокую твердость (до HB 300) и низкий коэффициент трения (до 0,8 при отсутствии смазки).
Базовыми материалами для производства антифрикционного чугуна являются серый, ковкий и высокопрочный чугуны. Маркируется соответственно – АЧС, АЧК, АЧВ.
Достоинства и недостатки чугуна
Характеристики чугуна обсуждаются по сравнению со сталью, хотя, например, низкокачественная углеродистая сталь – это по сути тот же чугун.
По некоторым показателям (плотность, магнитные свойства, химическая реакция) эти ферросплавы практически идентичны, но имеют большие отличия в сферах применения.
Преимущества чугуна:
- Низкая стоимость. Углерод появляется как часть процесса выплавки из руды. Поэтому если снижать его содержание, это приведет к удорожанию сплава.
- Превосходные литейные качества. Расплав чугуна имеет хорошую текучесть, низкую усадку при кристаллизации и относительно низкую температуру плавления.
- Изделия из чугуна имеют хорошую прочность, твердую поверхность, износостойкость.
- Чугун, который используется в машиностроении, хорошо поддается обработке резанием.
- Долговечность. Даже при применении в сантехнических и канализационных деталях.
- Простота утилизации.
Недостатки чугуна:
- Хрупкость. Мало пригоден для обработки давлением, из-за содержания углерода.
- Плохая свариваемость. Технология сварки чугуна довольно сложна, большой риск возникновения дефектов.
- Массивность изделий. Сложно изготавливать тонкостенные конструкции, стенки которых могут не выдержать собственного веса.
- Окисляемость. Легко ржавеет во влажной среде, поэтому детали, которые используются на открытом воздухе, необходимо защищать от коррозии специальными средствами.