Чугун

Определение "Чугун" в Большой Советской Энциклопедии

Чугун (тюрк.), сплав железа с углеродом (обычно более 2%) содержащий также постоянные примеси (Si, Mn, Р и S), а иногда и легирующие элементы, затвердевает с образованием эвтектики. Чугун — важнейший первичный продукт чёрной металлургии (см. также Доменное производство), используемый для передела при производстве стали и как компонент шихты при вторичной плавке в чугунолитейном производстве. Чугун вторичной плавки — один из основных конструкционных материалов; применяется как литейный сплав. Широкому использованию Чугун в машиностроении способствуют его хорошие литейные и прочностные свойства (по прочности некоторые Чугун лишь немногим уступают углеродистой стали; см. Модифицированный чугун). В современном машиностроении на долю деталей из Чугун приходится около 75% от общей массы отливок. По выпуску чугунного литья СССР занимает 1-е место в мире (1976).

Историческая справка. Первые сведения о Чугун относятся к 6 в. до нашей эры. В Китае из высокофосфористых железных руд получали Чугун, содержащий до 7% Р, с низкой температурой плавления, из которого отливали различные изделия. Чугун был известен и античным металлургам 4—5 вв. до нашей эры. Производство Чугун в Западной Европе началось в 14 в. с появлением первых доменных печей (штюкофенов) для выплавки Чугун из руд (см. Металлургия). Полученный Чугун 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 Чугун началось в 16 в.; в дальнейшем оно непрерывно расширялось, и при Петре I Россия по выпуску Чугун 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 Чугун Во 2-й четверти 20 в. начинают применять легирование чугуна (см. Легированный чугун), что дало возможность существенно повысить его свойства и получать специальный Чугун (износостойкие, коррозионностойкие, жаростойкие и т.д.). К этому же периоду относится также разработка способов модифицирования Чугун В конце 40-х гг. был получен модифицированный Чугун с включениями графита шаровидной формы вместо обычной пластинчатой, что обусловливало значительно более высокую прочность металла (s_ь до 500 Мн/м², или 50 кгс/мм², в литом состоянии и 1200 Мн/м², или 120 кгс/мм² после термической обработки; такой Чугун получил название высокопрочного). В 60-х гг. в электрических печах начали получать из стальных отходов с добавлением карбюризаторов т. н. синтетический Чугун с высокими механическими свойствами при пластинчатой форме графита (см. Железоуглеродистые сплавы).

  Классификация и свойства чугуна. Чугун, 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 Чугун (10—25% Mn), применявшийся в качестве раскислителя при выплавке стали и для получения специальных видов Чугун При использовании для выплавки Чугун железных руд, содержащих Сг, Ni, Ti и др. легирующие элементы, получают т. н. природнолегированные Чугун При производстве отливок в чугунолитейных цехах Чугун подразделяют: в зависимости от степени графитизации, обусловливающей вид излома, — на серый, белый и половинчатый (или отбелённый); в зависимости от формы включений графита — на Чугун с пластинчатым, шаровидным (высокопрочный Чугун), вермикулярным и хлопьевидным (ковкий Чугун) графитом; в зависимости от характера металлической основы — на перлитный, ферритный, перлитно-ферритный, аустенитный, бейнитный и мартенситный; в зависимости от назначения — на конструкционный и Чугун со специальными свойствами; по химическому составу — на легированные и нелегированные.

Серый Чугун — наиболее широко применяемый вид Чугун (машиностроение, сантехника, строительные конструкции) — имеет включения графита пластинчатой формы. Для деталей из серого Чугун 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 Чугун — более высокое, чем у стали, отношение предела текучести к пределу прочности на растяжение. Наличие графита улучшает условия смазки при трении, что повышает антифрикционные свойства Чугун Свойства серого Чугун зависят от структуры металлической основы, формы, величины, количества и характера распределения включений графита. Перлитный серый Чугун имеет высокие прочностные свойства и применяется для цилиндров, втулок и др. нагруженных деталей двигателей, станин 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 твёрдом растворе железа, присутствует в связанном состоянии в виде карбидов железа Fe₃C (цементит) или т. н. специальных карбидов (в легированном Чугун). Кристаллизация белых Чугун происходит по метастабильной системе с образованием цементита и перлита. Белый Чугун вследствие низких механических свойств и хрупкости имеет ограниченное применение для деталей простой конфигурации, работающих в условиях повышенного абразивного износа. Легирование белого Чугун карбидообразующими элементами (Cr, W, Mo 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, работающего в условиях сухого трения (тормозные колодки), а также для изготовления деталей повышенной износостойкости (прокатные, бумагоделательные, мукомольные валки).

Ковким называется Чугун в отливках, изготовленных из белого Чугун и подвергнутых последующему графитизирующему отжигу, в результате чего цементит распадается, а образующийся графит приобретает форму хлопьев. Ковкий Чугун обладает лучшей демпфирующей способностью, чем сталь, и меньшей чувствительностью к надрезам, удовлетворительно работает при низких температурах. Механические свойства ковкого Чугун определяются структурой металлической основы, количеством и степенью компактности включений графита. Металлическая основа ковкого Чугун в зависимости от типа термообработки может быть ферритной, ферритно-перлитной и перлитной. Наиболее высокими свойствами обладает ковкий Чугун, имеющий матрицу со структурой зернистого перлита; им можно заменять литую или кованую сталь. В тех случаях, когда требуется повышенная пластичность, применяют ферритный ковкий Чугун Для интенсификации процесса графитизации при термообработке ковкий Чугун модифицируют Te, В, Mg и др. элементами. Ковкий Чугун используют в основном в автомобиле-, тракторо- и сельхозмашиностроении. Наблюдается тенденция (особенно в автомобилестроении) к замене ковкого Чугун высокопрочным с шаровидным графитом с целью повышения прочности отливок, уменьшения длительности технологического цикла и упрощения технологии изготовления.

Высокопрочный Чугун, характеризующийся шаровидной или близкой к ней формой включений графита, получают модифицированием жидкого чугуна присадками Mg, Ce, Y, Ca 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 Чугун с чисто перлитной или бейнитной структурой, приближая их свойства к свойствам углеродистых сталей. При чисто ферритной матрице (в литом или термообработанном состоянии) обеспечивается повышенный уровень пластичности. Высокопрочный Чугун обладает хорошими литейными и технологическими свойствами (жидкотекучесть, линейная усадка, обрабатываемость резанием), но по значению сосредоточенной объёмной усадки приближается к стали. Такой Чугун применяется для замены стальных литых и кованых деталей (коленчатые валы двигателей, компрессоров и т.д.), а также деталей из ковкого или обычного серого Чугун Высокопрочные Чугун, имеющие включения т. н. вермикулярного графита (при рассмотрении в оптическом микроскопе — утолщённые изогнутые пластины со скруглёнными краями), по свойствам занимают промежуточное положение между Чугун с шаровидным и Чугун с пластинчатым графитом. Этот Чугун обладает хорошими технологическими свойствами при небольшой объёмной усадке и высокой теплопроводностью (почти такой же, как у серого Чугун). Чугун с вермикулярным графитом применяется в дизелестроении и других областях машиностроения.

Легированные Чугун Для улучшения прочностных, эксплуатационных характеристик или придания Чугун особых свойств (износостойкости, жаропрочности, жаростойкости, коррозионностойкости, немагнитности и т.д.) в его состав вводят легирующие элементы (Ni, Cr, Cu, Al, Ti, W, V, Mo и др.). Легирующими элементами могут служить также Mn при содержании > 2% и Si при содержании > 4%. Легированные Чугун классифицируют в соответствии с содержанием основных легирующих элементов — хромистые, никелевые, алюминиевые и т.д. По степени легирования различают низколегированные (суммарное количество легирующих элементов < 2,5%), среднелегированные (2,5—10%) и высоколегированные (> 10%). Низколегированные Чугун имеют перлитную или бейнитную структуру матрицы, среднелегированные — обычно мартенситную, высоколегированные — в большинстве случаев аустенитную или ферритную.

Чугун с 5—7% Si (силал) применяется в качестве жаростойкого материала. Чугун с 12—18% Si (ферросилид) обладает высокой коррозионной стойкостью в растворах солей, кислот (кроме соляной) и щелочей. Такой Чугун, легированный молибденом (антихлор), характеризуется высокой стойкостью в соляной кислоте. Чугун с 19—25% Al (чугаль) обладает наибольшей по сравнению с известными Чугун жаростойкостью в воздушной среде и средах, содержащих серу. В качестве износостойких наибольшее распространение получили Чугун, легированные Cr (до 2,5%) и Ni (до 6%) — нихарды. Аустенитные никелевые Чугун, легированные Mn, Cu, Cr (нирезисты), применяются как коррозионностойкие и жаропрочные.

Маркировка чугунов. По принятой в СССР маркировке обозначения марок доменных Чугун содержат буквы и цифры. Буквы указывают основное назначение Чугун: П — передельный для кислородно-конверторного и мартеновского производства и Л — литейный для чугунолитейного производства. Литейный коксовый Чугун обозначают ЛК, в отличие от Чугун, выплавленного на древесном угле (ЛД). С увеличением числа в обозначении марки уменьшается содержание кремния (например, в Чугун ЛК5 содержится меньше кремния, чем в Чугун ЛК4). Каждая марка Чугун в зависимости от содержания Mn, Р, S подразделяется соответственно на группы, классы и категории. Марки Чугун литейного производства, как правило, обозначаются буквами, показывающими основной характер или назначение чугуна: СЧ — серый Чугун, ВЧ — высокопрочный, КЧ — ковкий; для антифрикционного Чугун в начале марки указывается буква А (АСЧ, АВЧ, АКЧ). Цифры в обозначении марок нелегированного Чугун указывают его механические свойства. Для серых Чугун приводят регламентированные показатели пределов прочности при растяжении и изгибе (в кгс/мм²), например СЧ21-40. Для высокопрочного и ковкого Чугун цифры определяют предел прочности при растяжении (в кгс/мм²) и относительное удлинение (в %), например ВЧ60-2. Обозначение марок легированных Чугун состоит из букв, указывающих, какие легирующие элементы входят в состав Чугун, 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 химических элементов такое же, как и при обозначении сталей (см. Сталь). Пример обозначения легированных Чугун: ЧН19ХЗ — Чугун, содержащий ~19% Ni и ~3% Cr. Если в легированном Чугун регламентируется шаровидная форма графита, в конце марки добавляется буква Ш (ЧН19ХЗШ).

Чугун в искусстве. Чугун как материал для производства художественных отливок использовался ещё средневековыми мастерами (например, в 10 в. нашей эры в Китае из Чугун было отлито уникальное изваяние льва весом 100 т, не сохранилось). С 15 в. в Германии, а затем и в других странах Европы (в России — с конца 17 в.; см. также Каслинское литьё) художественное литьё из Чугун получило особенно широкое распространение (парковая скульптура, надгробия, решётки, ограды, садовая мебель и пр.). В 20 в. более массивное, чем бронзовое, но более дешёвое чугунное литьё со свойственной ему выразительностью тяжёлой массы материала и глухого тона применяется почти так же широко, как и бронзовое.
Чугун находит разнообразное применение в архитектуре (с конца 18 в.). Особенно характерно использование чугунных конструкций для зодчества 19 в. («век Чугун»).

Лит.: Гиршович Н. Г., Чугунное литье, Л. — М., 1949; его же, Кристаллизация 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.