3.4. Чугун

Чугун (название имеет тюркское происхождение) – это сплав железа с углеродом, где содержание последнего составляет 2 – 4 %. В чугуне содержатся также постоянные примеси (кремний, марганец, сера и фосфор), а иногда и легирующие элементы (хром, никель, ванадий, алюминий и др.). Чугун является первейшим и важнейшим продуктом черной металлургии, используемый для передела при производстве стали и как компонент шихты при вторичной плавке в чугунолитейном производстве, при этом чугун вторичной плавки есть один из основных конструкционных материалов, в то же время он применяется литейный сплав. Широкому использованию чугуна в машиностроении способствуют его хорошие литейные и прочностные свойства: по прочности некоторые чугуны лишь немногим уступают углеродистой стали (модифицированные чугуны). В современном машиностроении на долю деталей из чугуна приходится около 75 % от общей массы отливок. Мировое производство чугуна составляет более 600 млн. тонн, из них доля России – более 10 %; по выпуску чугунного литья Россия занимает одно из первых мест в мире.

Получают чугун из железорудных материалов в доменных печах. В отличие от стали, чугун, как правило, хрупок. В зависимости от способа применения и от свойств чугун, получаемый в доменных печах, подразделяется на передельный чугун, используемый для передела в сталь, и литейный чугун. Передельный чугун составляет более 85 % от основной массы чугуна. Литейный чугун идет на изготовление фасонного литья.

При использовании для выплавки чугуна железных руд, содержащих хром, никель, титан и другие легирующие элементы, получают так называемые природно-легированные чугуны. При производстве отливок в чугунолитейных цехах чугуны подразделяются: в зависимости от степени графитизации, обусловливающей вид излома, - на серый, белый и половинчатый (или отбеленный); в зависимости от формы включений графита – на чугуны с пластинчатым, шаровидным (высокопрочный чугун), вермикулярным (утолщенные изогнутые пластины со скругленными краями) и хлопьевидным (ковкий чугун) графитом; в зависимости от характера металлической основы – на перлитный, ферритный, аустенитный, мартенситный и др.; в зависимости от назначения – на конструкционный и чугун со специальными свойствами; по химическому составу – на легированные и нелегированные чугуны.

Серый чугун – наиболее широко применяемый вид чугуна (машиностроение, сантехника, строительные конструкции) – имеет включения графита пластинчатой формы. Для деталей из серого чугуна характерны малая чувствительность к влиянию внешних концентратов напряжений при циклической работе и более высокий коэффициент поглощения вибраций (в2-4 раза выше, чем у стали). При этом наличие графита улучшает условия смазки при трении, что повышает антифрикционные свойства этого чугуна. Перлитный серый чугун имеет высокие прочностные свойства и применяется для цилиндров, втулок и других нагруженных деталей двигателей, станин, рам и т.д. Для менее ответственных деталей используют серый чугун с ферритно-перлитной металлической основой.

Белый чугун представляет собой сплав, в котором избыточный углерод, не находящийся в твердом растворе железа, присутствует в виде карбидов железа. Кристаллизация белых чугунов происходит по метастабильной системе с образованием цементита и перлита. Белый чугун вследствие низких механических свойств и высокой хрупкости имеет ограниченное применение для деталей простой конфигурации, работающих в условиях повышенного абразивного износа. Легирование белого чугуна карбидообразующими элементами (хром, вольфрам, молибден и др.) повышает его износостойкость.

Половинчатый чугун содержит часть углерода в свободном состоянии в виде графита, а часть – в связанном (в виде карбидов). Применяется в качестве фрикционного материала для условий сухого трения (тормозные колодки), а также для изготовления деталей повышенной износостойкости (прокатные, бумагоделательные, мукомольные валки).

Ковким называют чугун в отливках, полученных из белого чугуна и подвергнутых графитизирующему отжигу, в результате чего распадается цементит, а образующийся графит приобретает форму хлопьев. Ковкий чугун обладает лучшей демпфирующей способностью, чем сталь, и меньшей чувствительностью к надрезам, удовлетворительно работает при низких температурах. Наиболее высокими свойствами обладает ковкий чугун, имеющий структуру зернистого перлита, им можно заменять литую или кованную сталь. В тех случаях, когда требуется повышенная пластичность, применяют ферритный ковкий чугун. Ковкий чугун используют в основном в автомобиле-, тракторо- и сельхозмашиностроении.

Высокопрочный чугун, характеризующийся шаровидной или близкой к ней формой включений графита, получают модифицированием жидкого чугуна присадками магния, кальция и некоторых других элементов. Шаровидный графит в наименьшей степени ослабляет металлическую основу, что приводит к резкому повышению механических свойств чугуна, приближая его по свойствам к углеродистым сталям. При чисто ферритной основе обеспечивается повышенный уровень пластичности чугуна. Высокопрочный чугун обладает хорошими литейными и технологическими свойствами (жидкотекучестью, линейной усадкой, обрабатываемостью резанием). Такой чугун применяется для замены стальных литых и кованых деталей (коленчатых валов, двигателей, компрессоров и т.д.), а также деталей из ковкого или серого чугуна. Высокопрочные чугуны, имеющие включения вермикулярного графита, по своим свойствам занимают промежуточное положение между чугунами с шаровидным и пластинчатым графитом. Этот чугун обладает хорошими технологическими свойствами при небольшой объемной усадке и высокой теплопроводностью. Чугун с вермикулярным графитом применяется в дизелестроении и других областях машиностроения.

Легированные чугуны характеризуются введением в них легирующих элементов (никеля, хрома, меди, алюминия, титана, ванадия, вольфрама, молибдена и др.) для улучшения прочностных, эксплуатационных характеристик или придания чугунам особых свойств (износостойкости, жаропрочности, жаростойкости, корозионностойкости, немагнитности и т.д.). Легирующими элементами могут служить марганец при содержании более 2 % и кремний при содержании более 4 %. В соответствии с содержанием основных легирующих элементов легированные чугуны могут быть хромистыми, никелевыми, алюминиевыми и т.д.

Чугун с содержанием кремния 5-7 % (силал) применяется в качестве жаростойкого материала, а с содержанием того же элемента в 12-18 % (ферросилид) - используется в качестве коррозионно-стойкого материала в растворах солей, щелочей и кислот (кроме соляной). Высокой стойкостью в соляной кислоте обладает чугун, легированный молибденом (антихлор). Чугун с 19-25 % алюминия (чугаль) характеризуется наибольшей по сравнению с другими чугунами жаростойкостью в воздушной и серосодержащей средах. В качестве износостойких наибольшее распространение получили хромистые (до 2,5 % хрома) и никелевые (до 6 % никеля) чугуны.

Маркировка чугунов, как и сталей, содержит буквы и цифры. Буквы указывают на основное назначение чугуна: П – передельный, Л – литейный. Литейный коксовый чугун обозначают ЛК, в отличие от чугуна, полученного на древесном угле (ЛД). С увеличением числа в обозначении марки уменьшается содержание кремния: например, в чугуне ЛК5 содержание кремния меньше, чем в чугуне ЛК4. Каждая марка чугуна в зависимости от содержания марганца, фосфора и серы подразделяется на свои группы, классы и категории. Приведенные выше маркировки чугунов относятся к доменным чугунам.

Марки чугунов литейного производства, как правило, обозначаются буквами, показывающими основной характер или назначение чугуна: СЧ – серый чугун, ВЧ – высокопрочный, КЧ – ковкий чугун. Для антифрикционного чугуна в начале марки ставится буква А (АСЧ, АВЧ, АКЧ).

Цифры в обозначении марок нелегированного чугуна указывают его механические свойства; серых чугунов обозначают регламентированные показатели предела прочности при растяжении и изгибе, кГ/мм², например, СЧ21-40. Для высокопрочного и ковкого чугунов цифры определяют предел прочности при растяжении, кГ/мм², и относительное удлинение (в %), например, ВЧ60-2. Обозначение марок легированных чугунов состоит из букв, указывающих на легирующие элементы, и стоящих непосредственно за каждой буквой цифр, характеризующих среднее содержание данного легирующего элемента. При содержании легирующего элемента менее 1 % цифры не ставятся. Условное обозначение химического элемента такое же, как и для сталей. Пример обозначения легированного чугуна: ЧН19Х3 – это чугун, содержащий 19 % никеля и 3 % хрома. Если в легированном чугуне регламентируется шаровидная форма графита, то в конце марки добавляется буква Ш (например, ЧН19Х3Ш).