Виды чугуна

Чугун – очень твердый и прочный металл. По твердости он уступает только алмазу. Поэтому из него изготавливают различные детали, которые в процессе эксплуатации испытывают высокие нагрузки. В зависимости от условий эксплуатации, для этих целей используются разные виды чугуна.

Общее описание

Чугун – это сплав, служащий сырьем для получения стали. Его основными компонентами являются железо и углерод. Содержание последнего составляет не менее 2,14%. В зависимости от типа и сферы применения сплава, концентрация углерода может увеличиваться до 6,67%.

Прежде чем рассматривать виды чугуна и их применение, нужно оценить достоинства материала. К основным положительным качествам относится следующее:

• отличные литейные свойства;
• возможность обработки резанием;
• небольшой вес по сравнению со сталью;
• сравнительно низкая температура плавления.

К недостаткам чугунных соединений относят малую пластичность, повышающую хрупкость, невозможность проведения сварочных работ и обработки ковкой.

Что входит в состав

Прежде чем приступать к рассмотрению разновидностей чугуна, следует определить, что входит в его состав. Это многокомпонентный сплав, в который, помимо железа, добавляются различные элементы, каждый из которых выполняет определенную функцию. К числу таких элементов относятся:

• углерод – придает твердость (причем, чем больше углерода, тем тверже металл);
• кремний – применяется для повышения вязкости и литейных качеств;
• марганец – предназначен для придания твердости;
• сера – вредная примесь, ухудшающая жидкотекучесть сплава за счет его загущения;
• фосфор – вредная примесь, повышающая хладостойкость металла и снижающая механическую прочность.

В данном случае фосфор вреден лишь в больших концентрациях. В небольшом количестве он улучшает жидкотекучесть и литейные качества.

Улучшить характеристики чугуна помогает добавление легирующих компонентов. К их числу относятся:

• алюминий;
• молибден;
• цирконий;
• ванадий;
• титан;
• медь;
• хром.

Чугунные сплавы с высокой концентрацией этих веществ называют легированными.

Разновидности чугуна

Понятие «чугун» применяется к железоуглеродистым соединениям, содержащим не менее 2,14% углерода. В металлургической промышленности выпускаются чугунные соединения, в которых углерод содержится в виде графита или цементита. Какой бывает чугун, зависит от формы углерода и содержащихся в сплавах дополнительных элементов. По этим параметрам выделяют следующие типы:

• серый (СЧ);
• белый;
• ковкий (КЧ);
• высокопрочный (ВЧ).

Изготавливаются и специальные типы сплавов, которые по качеству не уступают сталям.

Характеристики и применение СЧ

В составе серого чугуна, обозначаемого СЧ, углерод содержится в виде графита, придающего ему характерный серый цвет на изломе. Он обладает следующими характеристиками:

• твердость по шкале Мооса – 140-260 НВ;
• предел прочности на растяжение – 100-450 МПа;
• относительное удлинение – 0,2-0,5%.

В зависимости от структуры выделяют следующие виды серого чугуна:

• ферритно-графитные;
• ферритно-перлитные;
• перлитные.

Максимальная концентрация углерода в них составляет 4%, а минимальная – 2,2%. В более высоких концентрациях это вещество значительно снижает механические свойства металла. В более низких – ухудшает литейные качества. Верхний предел устанавливается для тонкостенных отливок, верхний – для толстостенных.

Серый чугун – это сплав железа с углеродом, содержащий и другие примеси, включая кремний. Он поддается обработке резанием и чаще всего используется в машиностроительной отрасли. Из него изготавливают детали, не испытывающие значительных нагрузок. Именно эта разновидность применяется для художественного и других видов литья.

Характеристики и применение белого чугуна

Этот вид получают путем переработки железа с высоким содержанием марганца. Здесь углерод содержится в виде цементита, поэтому на изломе он имеет белый цвет. За счет высокого содержания углерода (6,67%) сплав обладает повышенной твердостью, поэтому не поддается обработке резанием.

Чтобы понять, какой чугун тверже, следует рассмотреть характеристики белой разновидности. Они соответствуют следующим показателям:

• твердость по шкале Мооса – 700-800 НВ;
• температура плавления – 1600°С.

Белая разновидность соединения очень хрупка, поэтому в качестве самостоятельного материала не используется, а идет на изготовление стали и ковких соединений.

Характеристики и применение КЧ

Зная, какой сплав называется чугуном, следует рассмотреть еще одну его разновидность. Ковкий чугун, обозначаемый КЧ, изготавливают из белого путем длительного томления (обжига). Его расплавляют в электропечах, разливают в металлические формы, охлаждают и вынимают отливки.

Затем отливки помещают в ящики, нагревают в печах до 1000°С и выдерживают при такой температуре до 10 суток. В результате данных манипуляций часть цементита преобразуется в графит, а часть полностью выгорает.

Структура КЧ более твердая и прочная, но пластичная. Название «ковкий» он получил именно благодаря пластичности и возможности обработки давлением. Оно вовсе не означает, что такой металл можно ковать. Поэтому из КЧ изготавливают детали, работающие при больших нагрузках. Чаще всего они используются в сфере машиностроения.

Недостатком КЧ является его высокая стоимость, обусловленная временными затратами и необходимостью применения специального оборудования.

Характеристики и сферы применения ВЧ

Разобравшись с тем, что называется чугуном, можно приступить к рассмотрению высокопрочной разновидности сплава, обозначаемой ВЧ. Его получают с помощью добавок, вводимых в жидкий СЧ. В результате получают металлическое соединение, обладающее высокими механическими свойствами.

Это конструкционный материал, в состав которого входит шаровидный графит. Для получения такой структуры в расплавленный металл вводят магний, кремний и никель. Шаровидный графит не ослабляет металлическую основу. Поэтому ВЧ обладает повышенной твердостью, прочностью и ударной вязкостью.

В зависимости от структуры ВЧ делятся на следующие виды:

• ферритные, в составе которых содержатся феррит и шаровидный графит;
• ферритно-перлитные (феррит, перлит и шаровидный графит);
• перлитные (перлит и шаровидный графит).

Все они обладают высокими литейными качествами и поддаются обработке резанием, включая точение, фрезерование, шлифование и пр.

Применяется высокопрочная разновидность в автомобилестроении, машиностроении. Из него изготавливают металлопрокат, кузнечно-прессовое, подъемно-транспортное и камнедробильное оборудование. ВЧ используется для изготовления деталей, работающих при высоких нагрузках. К числу таких деталей относятся шестеренки, поршни и пр.

Заключение

Зная, что представляет собой чугун, трудно переоценить его свойства. Чугунные изделия ценились во все времена. Безусловно, сейчас выпускаются разные виды сталей, которые по своим качествам его превосходят. Но благодаря низкой себестоимости и демократичной стоимости конечной продукции он никогда не потеряет своей актуальности.