В каком виде углерод содержится в белом чугуне

У этого термина существуют и другие значения, см. Чугун (значения).

Чугу́н — сплав железа с углеродом (и другими элементами), в котором содержание углерода не менее 2,14 % (точка предельной растворимости углерода в аустените на диаграмме состояний), 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 (Si, Mn, S, P), а в некоторых случаях также легирующие элементы (Cr, Ni, V, Al и другие). Как правило, чугун хрупок.

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[править | править код]

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»[1]. 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[править | править код]

Технологию литья чугуна освоили в Китае, откуда этот термин (через татаро-монгольское посредничество) попал в Россию[1]. В X веке в Китае появляются чугунные монеты, однако в широком применении вплоть до XIX века оставались бронзовые монеты[2]. В XI веке был возведен чугунный шпиль пагоды Линсяо. XIV веком датируют находки чугунных котлов Золотой Орды (Тульская область)[3], однако на территории Монголии (Каракорум) монголы умели изготовлять чугунные котлы ещё в XIII веке[4].

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[5]. C 1411 года англичане начинают вооружать чугунными пушками свои корабли[6]. В том же XV веке во Фландрии начинают лить чугунные ядра, которые вытесняют каменные[7]. В XVI веке в России (при Иване Грозном) из чугуна начали изготавливаться пушки[8]. 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[9], а в Китае они были известны со времени династии Мин[10], 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[11] (Чугунный колесопровод). Помимо промышленного использования чугун продолжал использоваться и в быту. В XVIII веке появились чугунки, которые широко стали использоваться в русской печи[12].

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.[13]

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[14]. Технология бессмеровского процесса (1856) и мартеновской печи (1864) впервые позволила получать сталь из чугуна. В XIX веке чугун широко используется для изготовления викторианских каминов[15], 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.[16] Также в XIX веке из чугуна изготавливались водопроводные и канализационные 12-дюймовые трубы Лондона[17]. Однако с появлением нарезного оружия (Пушка Армстронга, 1854) сталь вновь начинает вытеснять чугун.

Объёмы производства[править | править код]

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[18]

Мировое производство чугуна в 2009 году составило 898,261 млн тонн, что на 3,2 % ниже, чем в 2008 году (927,123 млн т)[19]. Мировая топ-десятка стран-производителей чугуна выглядит следующим образом:

1	Китай	543,748 млн т
2	Япония	66,943 млн т
3	Россия	43,945 млн т
4	Индия	29,646 млн т
5	Южная Корея	27,278 млн т
6	Украина	25,676 млн т
7	Бразилия	25,267 млн т
8	Германия	20,154 млн т
9	США	18,936 млн т
10	Франция	8,105 млн т

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.[20]

Виды чугуна[править | править код]

Белый чугун[править | править код]

Микроструктура белого чугуна

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[править | править код]

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. Излом такого чугуна из-за наличия графита имеет серый цвет.

Ковкий чугун[править | править код]

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[править | править код]

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[править | править код]

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

Классификация[править | править код]

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[править | править код]

Примеры изделий из чугуна
Чугунная лестница
Чугунный угольный утюг

Чугунные мосты
Упавший мост через Тэй с севера (1880)

Чугун в искусстве[править | править код]

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.

См. также[править | править код]

Чёрная металлургия
Металлургический комбинат
Сталь

Примечания[править | править код]

Литература[править | править код]

Ю. М. Лахтин, В. П. Леонтьева. Материаловедение. — М.: Машиностроение, 1990. — 528 с.
Вегман Е. Ф., Жеребин Б. Н., Похвиснев А. Н. и др. Металлургия чугуна. — Москва: Академкнига, 2004. — 774 с. — ISBN 5-94628-120-8.
Physics and chemistry of solid state, № 4, 2014, vol. 15.

Источник

Белый чугун — это разновидность чугуна, которая в своём составе содержит углеродные соединения. В этом сплаве они называются цементитами. Своё название подобный металл получил благодаря характерному белому цвету и блеску, который хорошо виден на изломе. Этот блеск проявляется благодаря тому, что в составе подобного чугуна отсутствуют большие включения графита. В процентном отношении, он составляет не более 0,3%. Поэтому обнаружить его можно только спектральным или химическим анализом.

Белый чугун

Состав и виды белого чугуна

Белый чугун состоит из так называемой цементитной эвтектики. В связи с этим его делят на три категории:

Доэвтектические. Это такие сплавы, в которых углерод не превышает 4,3% от общего состава. Он получается после полного остывания. В итоге приобретает характерную структуру таких элементов как перлит, вторичный цементит и ледебурит.
Эвтектические. У них содержание углерода равняется 4,3%.
Заэвтектический белый чугун. Содержание превышает 4,35% и может достигать 6,67%.

Кроме приведенной классификации его разделяют на обыкновенный, отбеленный и легированный.

Внутренняя структура белого чугуна представляет собой сплав двух элементов: железа и углерода. Несмотря на высокотемпературное производство в нём сохраняется структура с мелкой зернистостью. Поэтому если надломить деталь из такого металла будет наблюдаться характерный белый цвет. Кроме этого, в структуре доэвтектического сплава, например, твёрдых марок, кроме перлита и вторичного цементита всегда присутствует цементит. Его процентное содержание может приближаться к 100%. Это характерно для эвтектического металла. Для третьего вида структура представляет собой состав из эвтектики (Лп) и первичного цементита.

Одной из разновидностей подобных сплавов является так называемый отбелённый чугун. Его основу, то есть сердцевину, составляет серый или высокопрочный чугун. Поверхностный слой содержит высокий процент таких элементов, как ледебурит и перлит. Эффекта отбеливания глубиной до 30 мм добиваются, используя метод быстрого охлаждения. В результате поверхностный слой получается из белого цвета, а далее отливка состоит из обыкновенного серого сплава.

Структура белого чугуна

В зависимости от процентного содержания легированных добавок, различают следующие виды металла:

низколегированные (в них содержится легирующих элементов не более 2,5%);
среднелегированные (процент подобных элементов достигает 10%);
высоколегированные (в них количество легирующих добавок превышает 10%).

В качестве легирующих добавок применяют достаточно распространённые элементы. Полученный таким образом легированный белый чугун приобретает новые, заранее заданные свойства.

Свойства белого чугуна

Любой чугунный сплав, с одной стороны, очень прочный, но в то же время обладает достаточной хрупкостью. Поэтому в качестве основных положительных свойств белого чугуна можно выделить:

Высокую твёрдость. Это значительно затрудняет обработку деталей, в частности, резанием.
Очень высокое удельное сопротивление.
Отличную износостойкость.
Хорошую стойкость к повышенному тепловому воздействию.
Достаточную коррозийную стойкость, в том числе, к различным кислотам.

Белые чугуны, с пониженным процентом углерода, обладают большей устойчивостью к высоким температурам. Это свойство используется для снижения количества трещин в отливках.

Внешний вид белого чугуна

К недостаткам следует отнести:

Низкие литейные свойства. Он имеет плохое заполнение отливочных форм. Во время заливки могут образовываться внутренние трещины.
Повышенная хрупкость.
Плохая обрабатываемость самих отливок и деталей из белого чугуна.
Большая усадка, которая может достигать 2%.
Низкая стойкость к ударным воздействиям.

Ещё одним недостатком является плохая свариваемость. Проблемы в сварке деталей из подобного материала вызваны тем, что в момент сварки происходит образование трещин, как при нагреве, так и при охлаждении.

Маркировка белого чугуна

Для маркировки белого чугуна применяют буквы русского алфавита и цифры. Если в нём имеются примеси, то маркировка начинается с буквы «Ч». Состав имеющихся легирующих добавок можно определить по последующим буквам П, ПЛ, ПФ, ПВК. Они свидетельствую о наличии кремния. Если полученный металл обладает повышенной износостойкостью, то его маркировка будет начинаться с буквы «И», например ИЧХ, ИЧ. Например, наличие в маркировке обозначения «Ш», означает, что в структуре сплава имеется графит шаровидной формы.

Цифры указывают на количество дополнительных веществ, присутствующих в белом чугуне.

Марка ЧН20Д2ХШ расшифровывается следующим образом. Это жаропрочный высоколегированный металл. Он содержит следующие элементы: никеля — 20%, меди — 2%, хрома — 1%. Остальные элементы — это железо, углерод, графит шаровидной формы.

Область применения

Этот сплав используют в следующих отраслях: машиностроение, станкостроение, судостроение. Из него производят некоторые элементы бытовых изделий. В машиностроении из него изготавливают: детали грузовых и легковых автомобилей, тракторов, комбайнов и другой сельскохозяйственной техники. Применение легирующих добавок позволяет получать специально заданные свойства. Например, используют при изготовлении плит с различной формой поверхности.

Отливка из белого чугуна

Отбелённый чугун имеет достаточно ограниченную область применения. Из него производят детали несложной конфигурации. Например: шары для мельниц, колеса различного назначения, детали для прокатных станов.

Широкое применение он получил при производстве деталей таких крупных агрегатов, как гидравлические и формовочные машины, другие промышленные механизмы этого направления. Специфическая особенность их работы заключается в том, что они постоянно подвергаются воздействию абразивного материала.

Источник

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 1 150-1 200°C (2 100-2 190°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.

Евгений Лавриненко (СМ)

Источник