Чугун

Чугун (далее Ч) (тюрк.), сплав с (обычно более 2%) содержащий также постоянные примеси (, , Р и ), а иногда и легирующие элементы, затвердевает с образованием эвтектики. Ч — важнейший первичный продукт черной металлургии (см. также Доменное производство), используемый для передела при производстве стали и как компонент шихты при вторичной плавке в чугунолитейном производстве. Ч вторичной плавки — один из основных конструкционных материалов; применяется как литейный сплав. Широкому использованию Ч в машиностроении способствуют его хорошие литейные и прочностные свойства (по прочности некоторые Ч лишь немногим уступают стали; см. Модифицированный чугун). В современном машиностроении на долю деталей из Ч приходится около 75% от общей массы отливок. По выпуску чугунного литья СССР занимает 1-е место в мире (1976).   Историческая справка. Первые сведения о Ч относятся к 6 в. до нашей эры. В Китае из высокофосфористых руд получали Ч, содержащий до 7% Р, с низкой температурой плавления, из которого отливали различные изделия. Ч был известен и античным металлургам 4—5 вв. до нашей эры. Производство Ч в Западной Европе началось в 14 в. с появлением первых доменных печей (штюкофенов) для выплавки Ч из руд (см. Металлургия). Полученный Ч использовали или для передела в сталь в кричном горне (см. Кричный передел), или для изготовления различных строительных деталей и оружия (пушки, ядра, колонны и др.). В России производство Ч началось в 16 в.; в дальнейшем оно непрерывно расширялось, и при Петре Россия по выпуску Ч превзошла все страны, но через столетие отстала от западно-европейских стран. Появление во 2-й пол. 18 в. вагранок позволило литейным цехам отделиться от доменных, т. е. положило начало независимому существованию чугунолитейного производства (при машиностроительных заводах). В начале 19 в. возникает производство ковкого Ч Во 2-й четверти 20 в. начинают применять легирование чугуна (см. Легированный чугун), что дало возможность существенно повысить его свойства и получать специальный Ч (износостойкие, коррозионностойкие, жаростойкие и т.д.). К этому же периоду относится также разработка способов модифицирования Ч В конце 40-х гг. был получен модифицированный Ч с включениями графита шаровидной формы вместо обычной пластинчатой, что обусловливало значительно более высокую прочность металла (sь до 500 Мн/м2, или 50 кгс/мм2, в литом состоянии и 1200 Мн/м2, или 120 кгс/мм2 после термической обработки; такой Ч получил название высокопрочного). В 60-х гг. в электрических печах начали получать из стальных отходов с добавлением карбюризаторов т. н. синтетический Ч с высокими механическими свойствами при пластинчатой форме графита (см. Железоуглеродистые сплавы).   Классификация и свойства чугуна. Ч, получаемый в доменных печах, подразделяется на передельный чугун, используемый для передела в сталь, и литейный чугун, служащий одним из основных компонентов шихты в чугунолитейном производстве.   До 70-х гг. 20 в. в доменных печах иногда выплавляли т. н. зеркальный Ч (10—25% ), применявшийся в качестве раскислителя при выплавке стали и для получения специальных видов Ч При использовании для выплавки Ч руд, содержащих Сг, , и др. легирующие элементы, получают т. н. природнолегированные Ч При производстве отливок в чугунолитейных цехах Ч подразделяют: в зависимости от степени графитизации, обусловливающей вид излома, — на серый, белый и половинчатый (или отбеленный); в зависимости от формы включений графита — на Ч с пластинчатым, шаровидным (высокопрочный Ч), вермикулярным и хлопьевидным (ковкий Ч) графитом; в зависимости от характера металлической основы — на перлитный, ферритный, перлитно-ферритный, аустенитный, бейнитный и мартенситный; в зависимости от назначения — на конструкционный и Ч со специальными свойствами; по составу — на легированные и нелегированные.   Серый Ч — наиболее широко применяемый вид Ч (машиностроение, сантехника, строительные конструкции) — имеет включения графита пластинчатой формы. Для деталей из серого Ч характерны малая чувствительность к влиянию внешних концентраторов напряжений при циклических нагружениях и более высокий коэффициент поглощения колебаний при вибрациях деталей (в 2—4 раза выше, чем у стали). Важная конструкционная особенность серого Ч — более высокое, чем у стали, отношение предела текучести к пределу прочности на растяжение. Наличие графита улучшает условия смазки при трении, что повышает антифрикционные свойства Ч Свойства серого Ч зависят от структуры металлической основы, формы, величины, количества и характера распределения включений графита. Перлитный серый Ч имеет высокие прочностные свойства и применяется для цилиндров, втулок и др. нагруженных деталей двигателей, станин и т.д. Для менее ответственных деталей используют серый Ч с ферритно-перлитной металлической основой.   Белый Ч представляет собой сплав, в котором избыточный не находящийся в твердом растворе присутствует в связанном состоянии в виде карбидов 3 (цементит) или т. н. специальных карбидов (в легированном Ч). белых Ч происходит по метастабильной системе с образованием цементита и перлита. Белый Ч вследствие низких механических свойств и хрупкости имеет ограниченное применение для деталей простой конфигурации, работающих в условиях повышенного абразивного износа. Легирование белого Ч карбидообразующими элементами (, , и др.) повышает его износостойкость.   Половинчатый Ч содержит часть в свободном состоянии в виде графита, а часть — в связанном в виде карбидов. Применяется в качестве фрикционного материала, работающего в условиях сухого трения (тормозные колодки), а также для изготовления деталей повышенной износостойкости (прокатные, бумагоделательные, мукомольные валки).   Ковким называется Ч в отливках, изготовленных из белого Ч и подвергнутых последующему графитизирующему отжигу, в результате чего цементит распадается, а образующийся графит приобретает форму хлопьев. Ковкий Ч обладает лучшей демпфирующей способностью, чем сталь, и меньшей чувствительностью к надрезам, удовлетворительно работает при низких температурах. Механические свойства ковкого Ч определяются структурой металлической основы, количеством и степенью компактности включений графита. Металлическая основа ковкого Ч в зависимости от типа термообработки может быть ферритной, ферритно-перлитной и перлитной. Наиболее высокими свойствами обладает ковкий Ч, имеющий матрицу со структурой зернистого перлита; им можно заменять литую или кованую сталь. В тех случаях, когда требуется повышенная пластичность, применяют ферритный ковкий Ч Для интенсификации процесса графитизации при термообработке ковкий Ч модифицируют , В, и др. элементами. Ковкий Ч используют в основном в автомобиле-, тракторо- и сельхозмашиностроении. Наблюдается тенденция (особенно в автомобилестроении) к замене ковкого Ч высокопрочным с шаровидным графитом с целью повышения прочности отливок, уменьшения длительности технологического цикла и упрощения технологии изготовления.   Высокопрочный Ч, характеризующийся шаровидной или близкой к ней формой включений графита, получают модифицированием жидкого чугуна присадками , , , и некоторых др. элементов (в чистом виде или в составе сплавов). Шаровидный графит в наименьшей степени ослабляет металлическую матрицу, что приводит к резкому повышению механических свойств Ч с чисто перлитной или бейнитной структурой, приближая их свойства к свойствам сталей. При чисто ферритной матрице (в литом или термообработанном состоянии) обеспечивается повышенный уровень пластичности. Высокопрочный Ч обладает хорошими литейными и технологическими свойствами (жидкотекучесть, линейная усадка, обрабатываемость резанием), но по значению сосредоточенной объемной усадки приближается к стали. Такой Ч применяется для замены стальных литых и кованых деталей (коленчатые валы двигателей, компрессоров и т.д.), а также деталей из ковкого или обычного серого Ч Высокопрочные Ч, имеющие включения т. н. вермикулярного графита (при рассмотрении в оптическом микроскопе — утолщенные изогнутые пластины со скругленными краями), по свойствам занимают промежуточное положение между Ч с шаровидным и Ч с пластинчатым графитом. Этот Ч обладает хорошими технологическими свойствами при небольшой объемной усадке и высокой теплопроводностью (почти такой же, как у серого Ч). Ч с вермикулярным графитом применяется в дизелестроении и других областях машиностроения.   Легированные Ч Для улучшения прочностных, эксплуатационных характеристик или придания Ч особых свойств (износостойкости, жаропрочности, жаростойкости, коррозионностойкости, немагнитности и т.д.) в его состав вводят легирующие элементы (, , , , , , , и др.). Легирующими элементами могут служить также при содержании > 2% и при содержании > 4%. Легированные Ч классифицируют в соответствии с содержанием основных легирующих элементов — и т.д. По степени легирования различают низколегированные (суммарное количество легирующих элементов < 2,5%), среднелегированные (2,5—10%) и высоколегированные (> 10%). Низколегированные Ч имеют перлитную или бейнитную структуру матрицы, среднелегированные — обычно мартенситную, высоколегированные — в большинстве случаев аустенитную или ферритную.   Ч с 5—7% (силал) применяется в качестве жаростойкого материала. Ч с 12—18% (ферросилид) обладает высокой коррозионной стойкостью в растворах солей, кислот (кроме соляной) и щелочей. Такой Ч, легированный (антихлор), характеризуется высокой стойкостью в соляной кислоте. Ч с 19—25% (чугаль) обладает наибольшей по сравнению с известными Ч жаростойкостью в воздушной среде и средах, содержащих серу. В качестве износостойких наибольшее распространение получили Ч, легированные (до 2,5%) и (до 6%) — нихарды. Аустенитные Ч, легированные , , (нирезисты), применяются как коррозионностойкие и жаропрочные.   Маркировка чугунов. По принятой в СССР маркировке обозначения марок доменных Ч содержат буквы и цифры. Буквы указывают основное назначение Ч: П — передельный для и мартеновского производства и Л — литейный для чугунолитейного производства. Литейный коксовый Ч обозначают ЛК, в отличие от Ч, выплавленного на древесном угле (ЛД). С увеличением числа в обозначении марки уменьшается содержание (например, в Ч ЛК5 содержится меньше чем в Ч ЛК4). Каждая марка Ч в зависимости от содержания , Р, подразделяется соответственно на группы, классы и категории. Марки Ч литейного производства, как правило, обозначаются буквами, показывающими основной характер или назначение чугуна: СЧ — серый Ч, ВЧ — высокопрочный, КЧ — ковкий; для антифрикционного Ч в начале марки указывается буква А (АСЧ, АВЧ, АКЧ). Цифры в обозначении марок нелегированного Ч указывают его механические свойства. Для серых Ч приводят регламентированные показатели пределов прочности при растяжении и изгибе (в кгс/мм2), например СЧ21-40. Для высокопрочного и ковкого Ч цифры определяют предел прочности при растяжении (в кгс/мм2) и относительное удлинение (в %), например ВЧ60-2. Обозначение марок легированных Ч состоит из букв, указывающих, какие легирующие элементы входят в состав Ч, и стоящих непосредственно за каждой буквой цифр, характеризующих среднее содержание данного легирующего элемента; при содержании легирующего элемента менее 1,0% цифры за соответствующей буквой не ставятся. Условное обозначение элементов такое же, как и при обозначении сталей (см. Сталь). Пример обозначения легированных Ч: ЧН19ХЗ — Ч, содержащий ~19% и ~3% . Если в легированном Ч регламентируется шаровидная форма графита, в конце марки добавляется буква Ш (ЧН19ХЗШ).   Ч в искусстве. Ч как материал для производства художественных отливок использовался еще средневековыми мастерами (например, в 10 в. нашей эры в Китае из Ч было отлито уникальное изваяние льва весом 100 т, не сохранилось). С 15 в. в а затем и в других странах Европы (в России — с конца 17 в.; см. также Каслинское литье) художественное литье из Ч получило особенно широкое распространение (парковая скульптура, надгробия, решетки, ограды, садовая мебель и пр.). В 20 в. более массивное, чем бронзовое, но более дешевое чугунное литье со свойственной ему выразительностью тяжелой массы материала и глухого тона применяется почти так же широко, как и бронзовое.   Ч находит разнообразное применение в архитектуре (с конца 18 в.). Особенно характерно использование чугунных конструкций для зодчества 19 в. ("век Ч").   Лит.: Гиршович Н. Г., Чное литье, Л. — М., 1949; его же, и свойства чугуна в отливках, М. — Л., 1966; Бунин К. П., Малиночка Я. Н., Таран Ю. Н., Основы металлографии чугуна, М., 1969.   Б. С. Мильман, Е. В. Ковалевич, В. Т. Соленков.