ЧУГУН

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



Историческая справка.
Первые
сведения о Ч. относятся к 6 в. до н. э. В Китае из высокофосфористых жел.
руд получали Ч., содержащий до 7% P, с низкой темп-рой плавления, из к-рого
отливали различные изделия. Ч. был известен и античным металлургам 4-5
вв. до н. э. Произ-во Ч. в Зап. Европе началось в 14 в. с появлением первых
доменных печей (штюкофенов) для выплавки Ч. из руд (см. Металлургия).
Полученный
Ч. использовали или для передела в сталь в кричном горне (см. Кричный
передел), или для изготовления различных строит, деталей и оружия (пушки,
ядра, колонны и др.). В России произ-во Ч. началось в 16 в.; в дальнейшем
оно непрерывно расширялось, и при Петре I Россия по выпуску Ч. превзошла
все страны, но через столетие отстала от зап.-европ. стран. Появление во
2-й пол. 18 в. вагранок позволило литейным цехам отделиться от доменных,
т. е. положило начало независимому существованию чугунолитейного произ-ва
(при маш.-строит, з-дах). В нач. 19 в. возникает произ-во ковкого Ч. Во
2-й четверти 20 в. начинают применять легирование чугуна (см. Легированный
чугун), что дало возможность существенно повысить его свойства и получать
спец. Ч. (износостойкие, коррозионностойкие, жаростойкие и т. д.). К этому
же периоду относится также разработка способов модифицирования Ч. В кон.
40-х гг. был получен модифицированный Ч. с включениями графита шаровидной
формы вместо обычной пластинчатой, что обусловливало значительно более
высокую прочность металла
(бдо 500 Мн/м²,
или
50 кгс/мм²,
в литом состоянии и 1200 Мн/м²,
или
120 кгс/мм²,
после термич. обработки; такой Ч. получил
назв. высокопрочного). В 60-х гг. в электрич. печах начали получать из
стальных отходов с добавлением карбюризаторов т. н. синтетический Ч. с
высокими механич. свойствами при пластинчатой форме графита (см. Железоуглеродистые
сплавы).



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

Серый Ч.- наиболее широко применяемый
вид Ч. (машиностроение, сантехника, строит, конструкции) - имеет включения
графита пластинчатой формы. Для деталей из серого Ч. характерны малая чувствительность
к влиянию внешних концентраторов напряжений при циклич. нагружениях и более
высокий коэфф. поглощения колебаний при вибрациях деталей (в 2-4 раза выше,
чем у стали). Важная конструкционная особенность серого Ч.- более высокое,
чем у стали, отношение предела текучести к пределу прочности на растяжение.
Наличие графита улучшает условия смазки при трении, что повышает антифрикц.
свойства Ч. Свойства серого Ч. зависят от структуры металлич. основы, формы,
величины, количества я характера распределения включений графита. Перлитный
серый Ч. имеет высокие прочностные свойства и применяется для цилиндров,
втулок и др. нагруженных деталей двигателей, станин и т. д. Для менее ответств.
деталей используют серый Ч. с ферритно-перлитной металлич. основой.

Белый Ч. представляет собой сплав,
в к-ром избыточный углерод, не находящийся в твёрдом растворе железа, присутствует
в связанном состоянии в виде карбидов железа Fеили т. н. спец. карбидов (в легир. Ч.). Кристаллизация белых Ч. происходит
по метастабильной системе с образованием цементита и перлита. Белый Ч.
вследствие низких механич. свойств и хрупкости имеет ограниченное применение
для деталей простой конфигурации, работающих в условиях повышенного абразивного
износа. Легирование белого Ч. карбидообразующими элементами (Cr, W, Mo
и др.) повышает его износостойкость.

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

Высокопрочный Ч., характеризующийся
шаровидной или близкой к ней формой включений графита, получают модифицированием
жидкого чугуна присадками Mg, Ce, Y, Ca и нек-рых др. элементов (в чистом
виде или в составе сплавов). Шаровидный графит в наименьшей степени ослабляет
металлич. матрицу, что приводит к резкому повышению механич. свойств Ч.
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
Ч. обладает хорошими литейными и технологич. свойствами (жидкотекучесть,
линейная усадка, обрабатываемость резанием), но по значению сосредоточенной
объёмной усадки приближается к стали. Такой Ч. применяется для замены стальных
литых и кованых деталей (коленчатые валы двигателей, компрессоров и т.
д.), а также деталей из ковкого или обычного серого Ч. Высокопрочные Ч.,
имеющие включения т. н. вермикулярного графита (при рассмотрении в оптич.
микроскопе - утолщённые изогнутые пластины со скруглёнными краями), по
свойствам занимают промежуточное положение между Ч. с шаровидным и Ч. с
пластинчатым графитом. Этот Ч. обладает хорошими технологич. свойствами
при небольшой объёмной усадке и высокой теплопроводностью (почти такой
же, как у серого Ч.). Ч. с вермикулярным графитом применяется в дизелестроении
и др. областях машиностроения.

Легированные Ч. Для улучшения прочностных,
эксплуатационных характеристик или придания Ч. 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 Ч. 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 Ч. имеют перлитную или бейнитную структуру матрицы,
среднелегированные - обычно мартенситную, высоколегированные - в большинстве
случаев аустенитную или ферритную.

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



Маркировка чугунов. По принятой
в СССР маркировке обозначения марок доменных Ч. содержат буквы и цифры.
Буквы указывают осн. назначение Ч.: П - передельный для кислородно-конверторного
и мартеновского произ-ва и Л - литейный для чугунолитейного произ-ва. Литейный
коксовый Ч. обозначают ЛК, в отличие от Ч., выплавленного на древесном
угле (ЛД). С увеличением числа в обозначении марки уменьшается содержание
кремния (напр., в Ч. ЛК5 содержится меньше кремния, чем в Ч. ЛК4). Каждая
марка Ч. в зависимости от содержания Mn, P, S подразделяется соответственно
на группы, классы и категории. Марки Ч. литейного произ-ва, как правило,
обозначаются буквами, показывающими осн. характер или назначение чугуна:
СЧ - серый Ч., ВЧ - высокопрочный, КЧ - ковкий; для антифрикц. Ч. в начале
марки указывается буква А (АСЧ, АВЧ, АКЧ). Цифры в обозначении марок нелегированного
Ч. указывают его механич. свойства. Для серых Ч. приводят регламентированные
показатели пределов прочности при растяжении и изгибе (в кгс/мм²),
напр. СЧ21-40. Для высокопрочного и ковкого Ч. цифры определяют предел
прочности при растяжении (в кгс/мм²) и относительное
удлинение (в %), напр. ВЧ60-2. Обозначение марок легированных Ч. состоит
из букв, указывающих, какие легирующие элементы входят в состав Ч., и стоящих
непосредственно за каждой буквой цифр, характеризующих среднее содержание
данного легирующего элемента; при содержаний легирующего элемента менее
1,0% цифры за соответствующей буквой не ставятся. Условное обозначение
хим. элементов такое же, как и при обозначении сталей (см. Сталь). Пример
обозначения легированных Ч.: ЧН19ХЗ - Ч., содержащий 19% Ni и 3% Cr.
Если в легированном Ч. регламентируется шаровидная форма графита, в конце
марки добавляется буква Ш (ЧН19ХЗШ).