Чугун

Чугун — сплав железа с углеродом, в котором содержание углерода не менее 2, 14 %, а сплавы с содержанием углерода менее 2, 14 % 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, а в некоторых случаях также легирующие элементы. Как правило, чугун хрупок.

Чугун
Фазы железоуглеродистых сплавов
Феррит (твёрдый раствор внедрения C в α-железе с объёмно-центрированной кубической решёткой) Аустенит (твёрдый раствор внедрения C в γ-железе с гранецентрированной кубической решёткой) Цементит (карбид железа; Fe3C метастабильная высокоуглеродистая фаза) Графит стабильная высокоуглеродистая фаза
Структуры железоуглеродистых сплавов
Ледебурит (эвтектическая смесь кристаллов цементита и аустенита, превращающегося при охлаждении в перлит) Мартенсит (сильно пересыщенный твёрдый раствор углерода в α-железе с объёмно-центрированной тетрагональной решёткой) Перлит (эвтектоидная смесь, состоящая из тонких чередующихся пластинок феррита и цементита) Сорбит (дисперсный перлит) Троостит (высокодисперсный перлит) Бейнит (устар.: игольчатый троостит) — ультрадисперсная смесь кристаллов низкоуглеродистого мартенсита и карбидов железа
Стали
Конструкционная сталь (до 0,8 % C) Высокоуглеродистая сталь (до ~2 % C): инструментальная, штамповая, пружинная, быстрорежущая Нержавеющая сталь (легированная хромом) Жаростойкая сталь Жаропрочная сталь Высокопрочная сталь
Чугуны
Белый чугун (хрупкий, содержит ледебурит и не содержит графит) Серый чугун (графит в форме пластин) Ковкий чугун (графит в хлопьях) Высокопрочный чугун (графит в форме сфероидов) Половинчатый чугун (содержит и графит, и ледебурит)

Выплавляется чугун, как правило, в доменных печах. Температура плавления чугуна — от 1150 до 1200 °C, то есть примерно на 300 °C ниже, чем у чистого железа.

Этимология

В русском языке слово чугун имеет тюркское происхождение, в тюркских же языках термин, вероятно, от кит. трад. 鑄, пиньинь zhù, палл. чжу, буквально: «лить; отливать (металл)» и кит. трад. 工, пиньинь gōng, палл. гун, буквально: «дело». Это связано с тем, что чугун представлял собой железный сплав низкой плавки. В финском языке чугун обозначается словом Valurauta, которое имеет два корня и переводится как литое железо (rauta).

История

Технологию литья чугуна освоили в Китае, откуда этот термин (через татаро-монгольское посредничество) попал в Россию. В X веке в Китае появляются чугунные монеты, однако в широком применении вплоть до XIX века оставались бронзовые монеты. В XI веке был возведен чугунный шпиль пагоды Линсяо. XIV веком датируют находки чугунных котлов Золотой Орды (Тульская область), однако на территории Монголии (Каракорум) монголы умели изготовлять чугунные котлы ещё в XIII веке.

В 1339 году (в годы Столетней войны) при обороне французского города Камбре уже использовались чугунные пушки наряду с бронзовыми. В 1403 году в Китае (Пекин) был отлит чугунный колокол. C 1411 года англичане начинают вооружать чугунными пушками свои корабли. В том же XV веке во Фландрии начинают лить чугунные ядра, которые вытесняют каменные. В XVI веке в России (при Иване Грозном) из чугуна начали изготавливаться пушки. Ввиду отсутствия у чугуна такого свойства как ковкость, его широкое производство стало возможным благодаря внедрению технологии доменной печи. Чугунные пушки появились у маньчжуров лишь в 1631 году, а в Китае они были известны со времени династии Мин, которая потеряла власть в 1644 г.

В 1701 году Каменский чугунолитейный завод на Урале (Россия) производит первую партию чугуна (262 кг). На Урале чугунное литье превратилось в народный промысел (Каслинское литьё). В XVIII веке в Англии появился первый чугунный мост (в России чугунный мост появился лишь в начале XIX века). Это стало возможным благодаря технологии Вилкинсона. В том же веке из чугуна начали изготавливать рельсы (Чугунный колесопровод). Помимо промышленного использования чугун продолжал использоваться и в быту. В XVIII веке появились чугунки, которые широко стали использоваться в русской печи.

К концу XVIII века Россия занимала первое место по производству чугуна и выдавала 9 908 тыс. пудов чугуна, в то время как Англия — 9 516 тыс. пудов, дальше шли Франция, Швеция, США.

В 1806 году Великобритания выплавляла 250 тыс. тонн чугуна, занимая 1-е место в мире по его производству, а к середине XIX века в Великобритании была сосредоточена половина мирового чугунного производства. Однако в 1890 году 1-е место по производству чугуна заняли США. Технология бессмеровского процесса (1856) и мартеновской печи (1864) впервые позволила получать сталь из чугуна. В XIX веке чугун широко используется для изготовления викторианских каминов, а также декоративных элементов (например, чугунная решетка памятника Александра II, 1890). Благодаря изготовлению малой скульптуры и ажурных изделий из чугуна широкую известность получили Кусинский и Каслинский заводы. Развитие способов формовки для литья сложных художественных отливок на заводе в посёлке Касли привело к созданию способа изготовления стержневых форм, который применяют и в настоящее время, особенно в станкостроении. Также в XIX веке из чугуна изготавливались водопроводные и канализационные 12-дюймовые трубы Лондона. Однако с появлением нарезного оружия (Пушка Армстронга, 1854) сталь вновь начинает вытеснять чугун.

Объёмы производства

В 1892 году Германия производила 4,9 миллиона тонн чугуна, против 6,8 в Англии, а в 1912 году уже 17,6 против 9,0

Мировое производство чугуна в 2009 году составило 898,261 млн тонн, что на 3,2 % ниже, чем в 2008 году (927,123 млн т). Мировая топ-десятка стран-производителей чугуна выглядит следующим образом:

За четыре месяца 2010 года мировой выпуск чугуна составил 346,15 млн тонн. Этот результат на 28,51 % больше по сравнению с аналогичным периодом 2009 года.

Виды чугуна

Белый чугун

Микроструктура белого чугуна при 100-кратном увеличении

В белых чугунах весь углерод находится в связанном виде (Fe₃C). В зависимости от количества углерода делятся на:

• доэвтектические (2,14—4,3 % углерода);
• эвтектические (4,3 % углерода);
• заэвтектические (4,3—6,67 % углерода).

Цементит в изломе — светлый, поэтому такие чугуны назвали светлыми. Белые чугуны применяются в основном для изготовления ковких чугунов, которые получают путём отжига.

Серый чугун

Серый чугун — это сплав железа, кремния и углерода, содержащий также постоянные примеси Mn, P, S. В структуре таких чугунов большая часть или весь углерод находится в виде графита пластинчатой формы. Излом такого чугуна из-за наличия графита имеет серый цвет.

Ковкий чугун

Ковкий чугун получают длительным отжигом белого чугуна, в результате которого образуется графит хлопьевидной формы. Металлическая основа такого чугуна — феррит и реже перлит. Ковкий чугун получил своё название из-за повышенной пластичности и вязкости (хотя обработке давлением не подвергается). Ковкий чугун обладает повышенной прочностью при растяжении и высоким сопротивлением удару. Из ковкого чугуна изготавливают детали сложной формы: картеры заднего моста автомобилей, тормозные колодки, тройники, угольники и т. д.

Маркируется ковкий чугун двумя буквами и двумя числами, например КЧ 37-12. Буквы КЧ означают ковкий чугун, первое число — предел прочности на разрыв (в десятках мегапаскалей), второе число — относительное удлинение (в процентах), характеризующее пластичность чугуна.

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, и не является концентратором напряжений.

Передельный чугун

Передельный чугун не используется как самостоятельный материал, а применяется для дальнейшей переработки в сталь.

Классификация

В зависимости от содержания углерода серый чугун называется доэвтектическим (2,14—4,3 % углерода), эвтектическим (4,3 %) или заэвтектическим (4,3—6,67 %). Состав сплава влияет на структуру материала.

В зависимости от состояния и содержания углерода в чугуне различают: белые и серые (по цвету излома, который обуславливается структурой углерода в чугуне в виде карбида железа или свободного графита), высокопрочные с шаровидным графитом, ковкие чугуны, чугуны с вермикулярным графитом. В белом чугуне углерод присутствует в виде цементита, в сером — в основном в виде графита.

В промышленности разновидности чугуна маркируются следующим образом:

• передельный чугун — П1, П2;
• передельный чугун для отливок (передельно-литейный) — ПЛ1, ПЛ2;
• передельный фосфористый чугун — ПФ1, ПФ2, ПФ3;
• передельный высококачественный чугун — ПВК1, ПВК2, ПВК3;
• чугун с пластинчатым графитом — СЧ (цифры после букв «СЧ», обозначают величину временного сопротивления разрыву в кгс/мм).

Антифрикционный чугун:

• антифрикционный серый — АЧС;
• антифрикционный высокопрочный — АЧВ;
• антифрикционный ковкий — АЧК;
• чугун с шаровидным графитом для отливок — ВЧ (цифры после букв «ВЧ» означают временное сопротивление разрыву в кгс/мм и относительное удлинение (%);
• чугун легированный со специальными свойствами — Ч.

Галерея

• Примеры изделий из чугуна
• 

  Чугунная лестница

• 

  Мост через Северн — первый в мире чугунный мост

• 

  Чугунная сковорода

• 

  Чугунная печь — буржуйка

• 

  Чугунный угольный утюг

• 

  Чугунная крышка канализационного люка

• Чугунные мосты
• 

  Железный мост через реку Северн в Колбрукдейле, Англия (закончен в 1779 году)

• 

  Турнирный мост Эглинтон (завершено около в 1845 году), Норт-Эршир, Шотландия, построен из чугуна

• 

  Оригинальный мост через Тей с севера (закончен в 1878 году)

• 

  Упавший мост через Тэй с севера (1880)

Чугун в искусстве

• В повести Булгарина Правдоподобные небылицы (1824) описаны чугунные желоба для ездовых машин и чугунные дома.
• Чугун — Научно-популярный фильм, производство Свердловская киностудия.
• Дети чугунных богов (1993) — кинофильм.
• Чугунный скороход (1996) — музыкальная группа.