для чего используют чугун
Применение чугуна и изделий из него в строительстве и других областях
Чугун — это основной металл черной металлургии. Он представляет собой сплав железа и углерода. В чугун могут входить специальные добавки, которые делают его свойства особенными. Такой чугун обладает характеристиками износостойкости, коррозионностойкости, жаропрочности, немагнитности и другими. Про свойства, состав и области применения серого, белого, ковкого чугуна, а также высокопрочного и гранулированного расскажем ниже.
Сферы применения чугуна
Благодаря ценным свойствам, дешевизне и хорошим литейным характеристикам чугун применяют для изготовления различных деталей и предметов. Из чугуна можно получить изделия интересной и особенной формы, так как этот материал обладает отличной твердостью и прочностью. Сделанные чугунные предметы смогут выдержать достаточно серьезные нагрузки. Именно по этой причине из чугуна делают корпуса машин и основания станков.
Про характеристики и области применения сталей и чугунов (легированных, антифрикционных, литейных и др.) расскажем ниже.
Данное видео расскажет о сферах применения чугуна:
Использование материала в строительстве
В этом разделе будут рассмотрены классификация, маркировка (марки) и применение чугунов и их сплавов.
Особенности применения
В строительстве используют серый чугун. Белый слишком твердый и хрупкий. Его переплавляют в ковкий чугун или в сталь.
Чугун и сферы его применения
Чугун — это сплав железа с фосфором, кремнием и углеродом, который давно нашел применение в различных областях человеческой деятельности.
Популярность чугуна обусловлена его механической твердостью, высокой сопротивляемостью износу, простотой обработки и дешевизной производства. Основным способом получения чугунных изделий является литье с последующим фрезерованием для достижения точной формы и отличного качества поверхности. Обычно с помощью фрезерования обрабатываются такие детали, как отверстия, плоскости и места для крепления шпинделя.
К недостаткам готовых чугунных изделий можно отнести их хрупкость даже при небольших дефектах литья, допущенных в процессе изготовления.
В автомобильной промышленности используют чугун с вермикулярным графитом, из которого изготавливают коленчатые валы дизельных двигателей и блоки цилиндров двигателей внутреннего сгорания. Графит значительно повышает прочность сплава, поэтому такой чугун востребован не только в машиностроении, но и в производстве труб для водоотведения и водоснабжения, а также труб для нефтегазовой промышленности. Для таких изделий характерны высокие эксплуатационные качества.
Всем известно сантехническое оборудование из чугуна — ванны, раковины, кухонные мойки, фитинги и трубы. Эти изделия надежны, неприхотливы в уходе и способны длительное время сохранять первоначальный внешний вид. Отопительные радиаторы из чугуна пользуются устойчивым спросом благодаря своей долговечности, хорошим теплоаккумулирующим свойствам и высокой теплоотдаче. Через час после отключения чугунные радиаторы продолжают излучать тепло на треть своей первоначальной мощности, в то время как радиаторы из стали остывают в два раза быстрее.
Способностью долго сохранять тепло обладает и чугунная посуда, поэтому она незаменима для приготовления «долгоиграющих блюд», требующих долгого томления. Казаны из чугуна идеально подходят для приготовления рагу, плова и каш, поскольку пища в них готовится по принципу русской печки. Благодаря этому продукты сохраняют свои полезные питательные свойства, а в готовой пище не образуются канцерогены.
В арсенале повара самого престижного ресторана обязательно будет посуда из чугуна: горшки, казаны, сковородки. Да и на кухне любой хозяйки можно найти подобные изделия, ведь даже самая дорогая нержавеющая посуда не обладает уникальными характеристиками чугунного сплава. Ученые доказали, что в процессе приготовления чугун обогащает пищу соединениями железа, полезными для здоровья человека.
Чугун — пористый металл, который обладает способностью впитывать жиры в процессе приготовления. Благодаря этому антипригарные свойства посуды со временем только улучшаются, что облегчает процесс жарки и тушения.
Чугунные сплавы широко используются в сфере художественного архитектурного литья, в производстве ажурных ограждений и решеток, винтовых лестниц и балконов, беседок, каминов и светильников, столбов, фонарей и скульптур.
Что такое чугун
Физический свойства
Чугун получил широкое распространение благодаря привлекательным физическим качествам:
Температура кипения чугуна также во многом зависит от химического состава. Для того, чтобы рассмотреть физические свойства материала, следует уделить внимание каждой его разновидности. Иная структура и химический состав становятся причиной придания иных физико-механических качеств.
Видео
Классификация
Чугун классифицируют по нескольким основаниям:
Характеристики продукта закладываются на стадии производства.
Маркировка чугуна
В промышленности разновидности чугуна маркируются следующим образом:
Состав и структура металла
Чугун в качестве структурного материала представлен металлической полостью с графитными включениями. Основными его компонентами выступают перлит, ледебурит и пластичный графит. Интересно, что в различных видах сплавов эти элементы присутствуют в неодинаковых пропорциях либо могут совсем отсутствовать.
По своей структуре чугунный сплав разделяется на следующие разновидности:
При этом графит может присутствовать в нем в одной из таких форм:
Достоинства и недостатки материала
Стоит обсуждать в сравнении со сталью, хотя низкокачественная углеродистая сталь – тот же чугун по сути.
По некоторым параметрам (плотность, свойство магнититься, типичные химические реакции) ферросплавы практически идентичны. Существенны отличия в технологии использования.
Умеренная стоимость. Насыщение углеродом – часть процесса выплавки из руды. Снижение его содержания неизбежно удорожает металл.
Превосходные литейные качества. Расплав текуч. С низкой усадкой при кристаллизации, что минимизирует дефекты. Относительно низкая температура плавления.
Изделия прочны, с твердой поверхностью, износостойки.
Используемые в машиностроении составы поддаются обработке резанием.
Долговечны. В том числе в сантехнических, канализационных деталях.
Ставшие ненужными элементы легко утилизировать. Любой пункт приема с руками оторвет.
Из-за высокого содержания углерода хрупок. Мало пригоден для обработки давлением. Из отдельных марок получают кованые изделия отменного качества. Но это скорее работа штучная и в индустриальных масштабах нерентабельная.
Сварка допускается только в крайних случаях. Технология довольно сложна, велик риск возникновения дефектов.
Изделия всегда массивны. Не получится тонкостенная конструкция, так как не выдержит собственного веса и изготовить не удастся.
Легко окисляется во влажной среде. Насквозь не проржавеет из-за неизбежной монументальности, но вид приобретет неопрятный. Детали, расположенные на открытом воздухе, нуждаются в коррозионно стойком покрытии.
Производство металла
Чугун производят в специальных доменных печах. Основное сырье для получения чугуна – это железная руда. Технологический процесс заключается в восстановлении оксидов железа руды и получении на выходе другого материала – чугуна. Для изготовления чугуна используются следующее топливо: кокс, природный газ и термоантрацит.
После восстановления руды железо имеет твердую форму. Далее его опускают в специальную часть печи (распар), где происходит растворение в железе углерода. На выходе получается жидкий чугун, который опускается в нижнюю часть печи.
Цена на чугун (за 1 кг) зависит от количества углерода в нем, от наличия дополнительных примесей и легирующих компонентов. Примерно цена тонны чугуна будет составлять 8000 рублей.
Классификация чугунов
Металлургическая промышленность выпускает разные виды чугуна. Сорт зависит от участвующих в сплаве форм графита или цементита и остальных компонентов.
Серый чугун (СЧ)
Обозначают буквами СЧ. На разрезе – серовато-черный, что обусловлено присутствием графита, этого природного цвета. В составе также присутствуют различные примеси, в том числе и кремний. Этот вид чугуна, свободно поддающийся резке и часто употребляющийся в машиностроительной отрасли для «неосновных» деталей, при добавлении фосфора становится жидкотекучим. Применим для всех видов литья, в том числе художественного.
Белый чугун
На разрезе светлый, благодаря присутствию карбида железа. Подвергается дальнейшей переработке на ковкий чугун и сталь. Поэтому сорт называют передельным. Свойства – хрупкость и твердость, слабо обрабатываемый, не годится для самостоятельного использования. Твердый, слабо подвержен обработке, хрупкий – такие свойства делают его непригодным для самостоятельного использования.
Ковкий чугун
Обозначение — КЧ. При длительном отжиге белый чугун преобразуется в ковкий.
Свойства – не поддаётся обработке давлением, но при этом обладает повышенной сопротивляемостью ударам и прочностью при растяжении. Ковкий чугун подходит для изготовления деталей усложненной конфигурации.
Высокопрочный
Маркируют буквами ВЧ. Получают при введении в серый жидкий чугун спецдобавок, для придания графиту сфероидальной формы. Высокопрочный вид чугуна применяют для изготовления ответственных деталей – шестерён, коленвалов, поршней, которые должны иметь высокую износоустойчивость.
Форма выпуска передельного и литейного видов – специальные формы – чушки. Современные технологии позволяют получить полуфабрикаты, квадратные, листовые, пластинчатые, брусковые заготовки разновидностей чугуна.
В зависимости от назначения и химсостава выделяют следующие разновидности чугуна:
Они имеют названия, соответствующие металлам-добавкам:
Легированные виды более всего востребованы в производстве агрегатов, механизмов, узлов и деталей, работающих в особо неблагоприятных средах и условиях.
Чугун, отличающийся увеличенным процентным включением ферромарганца или ферросилиция, относят к специальным – ферросплавам. Добавляются в сталеплавильном производстве для выделения кислорода – раскисления.
К легированным чугунам относят:
Антифрикционные виды маркируются первыми буквами АЧ. Например, АЧС — это антифрикционный серый чугун. Ещё можно увидеть маркировку АЧВ — антифрикционный высокопрочный чугун и АЧК — антифрикционный ковкий.
Жаростойкий вид маркируют буквами ЖЧ. Далее указывается буква обозначающая легирующий элемент. Например, ЖЧХ-2,5. Это жаростойкий чугун с добавлением хрома 2,5%.
К жаростойким относят марки: ЧН19ХЗШ.
К коррозионностойким: маркировка ЧНХТ, ЧН1МХД
Еще их называют специальными чугунами.
Особенности сплава
Главная особенность чугуна скрыта в процессе его изготовления. Дело в том, что у разных видов этого сплава температура плавления достигает 1200ºС, в то время как у стали она составляет 1500 ºС. На этот фактор влияет слишком высокое содержание углерода. Атомы железа и углерода между собой имеют не очень тесные связи.
Когда происходит выплавка, атомы углерода не могут целиком внедриться в молекулярную решетку железа, из-за чего чугунный сплав приобретает хрупкость. В связи с этим его не используют в производстве деталей, которые будут постоянно подвергаться нагрузке.
Этот материал относится к отрасли черной металлургии и по своим характеристикам схож со сталью. Изделия из чугуна и стали нашли широкое применение в повседневной жизни, и оно является целиком оправданным.
Если сравнивать характеристики этих металлов, можно сделать следующие заключения:
История
Документированная история чугуна стартует с I тысячелетия до нашей эры:
Появление сплава в Европе датируют XIV веком, в России – на двести лет позже. Интерес возрос в связи с пригодностью чугуна как материала пушек и ядер.
Турнирный мост Эглинтон[en] (завершено около в 1845 году), Норт-Эршир, Шотландия, построен из чугуна
Со времен королевы Виктории самым популярным изделием «гражданского сегмента» у британцев стали камины.
Чугунный угольный утюг
Расцвет чугунного промысла в России приходится на XVIII век:
Мировую славу обрели ажурные изделия каслинских мастеров.
Способ формовки для литья художественных отливок сложных форм, придуманный каслинцами, востребован машиностроителями и сегодня.
Чугун высокопрочный с шаровидным графитом
Высокопрочный чугун получают путем введения магния (до 0,9%) и церия (до 0,05%) в жидкий серый чугун перед разливкой его в формы. Основная часть этих модификаторов испаряется, окисляется и переходит в шлак, так что в твердом металле обнаруживается не более 0,01% этих элементов. Магний и церий активно удаляют из чугуна серу. Но главная роль их заключается в том, чтобы изменить чешуйчато-пластинчатую форму графита на шаровидную. После модифицирования чугуна магнием или церием в ковш добавляют 75%-ный ферросилиций (сплав железа с кремнием). В отличие от модифицированного серого чугуна высокопрочный чугун имеет более высокое содержание углерода и кремния и пониженное содержание марганца.
Металлическая основа высокопрочного чугуна состоит из феррита и перлита или только из перлита. В этом чугуне сочетаются ценные свойства стали и чугуна. Он обладает сравнительно высокой прочностью при достаточной пластичности и вязкости. Высокопрочный чугун с успехом заменяет стальное литье и даже стальные поковки, что дает большой экономический эффект. Изделия из высокопрочного чугуна благодаря его повышенной износостойкости могут работать в условиях трения. Высокопрочный чугун лучше, чем серый, сохраняет свою прочность при нагреве, поэтому может применяться для работы при температурах до 400°С (серый чугун выдерживает температуру до 250°С).
ГОСТ 7293-85 нормирует предел прочности σв, предел текучести σт, относительное удлинение δ и твердость НВ высокопрочных чугунов. Требования к отливкам из этих чугунов устанавливаются нормативно-технической документацией. Принцип маркировки высокопрочных чугунов (ВЧ) отличается от маркировки серых чугунов. В обозначение их марки входят два числа — первое указывает предел прочности на разрыв, второе — относительное удлинение. Например, марка чугуна ВЧ 42-12 означает, что данный чугун имеет предел прочности σв = 412 Н/мм 2 (42 кгс/мм 2 ) и относительное удлинение δ =12%.
Стандарт предусматривает 10 марок высокопрочных чугунов: ВЧ 38-17, ВЧ 42-12, ВЧ 45-5, ВЧ 50-7, ВЧ 50-2, ВЧ 602, ВЧ 70-2, ВЧ 80-2, ВЧ 100-2, ВЧ 120-2. Стандарт или справочник дает дополнительные сведения об этом чугуне: предел текучести σт = 274 Н/мм 2 (28 кгс/мм 2 ), твердость-140÷200 НВ.
Из высокопрочных чугунов изготовляют многие детали (в том числе фасонные), которые ранее получали из стали, базовые и корпусные детали повышенной прочности (корпуса и станины станков, крупные планшайбы, гильзы, каретки, цилиндры, кронштейны, зубчатые колеса, накладные направляющие станков и детали с поверхностной закалкой). Они заменяют стали Сталь 20Л, 25Л, ЗОЛ и 35Л.
Чугун легированный
Свойства чугуна можно улучшить путем введения в его расплав легирующих элементов, оказывающих благоприятное влияние не только на его металлическую основу, но также на форму и размеры графитных включений, способствующих значительному измельчению структуры чугуна.
Требования к легированным чугунам для отливок с повышенной жаростойкостью, коррозионной стойкостью, износостойкостью или жаропрочностью регламентированы ГОСТ 7769-82. По основному легирующему элементу чугуны со специальными свойствами подразделяют на пять видов: хромистые, кремнистые, алюминиевые, марганцевые и никелевые, маркируется легированный чугун по тому же принципу, что и высокопрочный. Буква Ч означает чугун, буква Ш — шаровидная форма графита, буквы русского алфавита, соответствующие легирующим химическим элементам, и цифры после букв означают приблизительное содержание легирующих элементов в целых процентах. Например, марка чугуна ЧХ16 означает, что данный легированный чугун содержит хрома 16%.
Основные свойства легированного чугуна и его применение приведены в таблице 3.
Таблица 3. Чугуны легированные, их основные свойства и применение