Чугунные сплавы являются неотъемлемой частью человеческой жизни. Его применение распространилось от тяжёлой промышленности до произведений искусства. Давайте разберёмся, в чём же особенность чугуна, почему он настолько универсален и незаменим.
Чугун — это сплав, основными элементами которого является железо и углерод (более 2, 14 %). Механические и литейные свойства чугуна определяются концентрацией углерода и наличием прочих химических элементов.
Если говорить о чугуне в целом и в сравнении с прочими сплавами, он отличается высокой жаростойкостью, теплоёмкостью, устойчивостью к коррозии, и т.д. Положительные характеристики сплава делают его применение необходимостью как в тяжёлой промышленности, так и в быту.
Выплавка чугуна осуществляется в доменных печах, вагранках и электропечах.
В процессе нагрева в печах проходят химические реакции, позволяющие создавать чугун различных марок с различными механическими и литейными свойствами.
В вагранках(только серый) и электропечах обычно переплавляют отливки в изделия, что с точки зрения затраты топлива более экономично, да и в целом более практично если завод занимается изготовлением изделий, а не производством чугуна разных марок.
Виды чугунов:
На физические и химические свойства чугуна влияют его химический состав и вид термической обработки.
Белые чугуны — получаются в процессе ускоренного охлаждения.
Белые чугуны отличаются высокой твёрдостью и хрупкостью. Тяжело поддаётся резке, в процессе откалываются куски. В связи с этим в большей степени используются не как конструктивный металл, а как заготовка для производства ковкого и иных марок чугуна.
Производные белых чугунов:
Ковкие чугуны получаются в результате обработки (отжига) белого чугуна.
Название ковкий никак не связано с процессом деформации (ковки) металла. Историки утверждают, что подобное название появилось вследствие того, что из чугуна с характерными свойствами делали подковы.
Ковкий чугун обладает высокими механическими свойствами, такими как прочность, износостойкость и т.д.. Благодаря чему металл активно используется в автомобильной промышленности, сельскохозяйственном машиностроении при производстве мелких деталей
Серые чугуны
получаются при медленном охлаждении.
Серые чугуны отличаются прочностью, более высокой пластичностью, нежели белые, что делает такой чугун хорошим конструкционным материалом для различных деталей и позволяет использовать для создания марок чугуна с необходимыми для той или иной отрасли свойствами.
Области применения серого чугуна: тяжёлое машиностроение, автомобильная и сельскохозяйственная промышленность, станкостроение, бытовое использование.
Производные серых чугунов:
Высокопрочные чугуны получаются в результате введения 0,5 % магния в серый чугун перед разливкой. Процесс называется модифицированим.
Литейные свойства высокопрочного чугуна позволяют создавать изделия ответственного назначения (детали станков, автомобилей повышенной грузоподъёмности и т.д.). Высокопрочный чугун имеет ряд преимущественных характеристик перед сталью, имея меньшую плотность (> 8-10%), что позволяет снизить массу деталей.
В результате средней между белым и серым чугуном интенсивности охлаждения образуются половинчатые чугуны . Как следствие, имеющие промежуточные свойства и структуру металла.
Помимо изменения химического состава металла, регулируя интенсивность его охлаждения возможно получать отливки с различным уровнем прочности, пластичности и прочими механическими свойствами чугуна.
Чугуны со специальными свойствами:
Подобной классификации подвергаются белые и серые чугуны, отливаемые с применением определённой технологии для дальнейшего использования в определённых условиях или по специальному назначению. К таким относятся:
На сегодняшний день простое перечисление деталей, которые изготавливают из чугуна, составит приличную книгу. Сложно переоценить значимость чугуна и изделий из него в промышленности и быту не только нашей страны, но и всего мира.
Понятие чугуна, история его открытия и потребления, производство чугуна, этапы производства чугуна, страны по реализации чугуна, общая характеристика чугуна, нахождение чугуна в природе, минералы чугуна, соединения чугуна, способы извлечения чугуна из твердых материалов, переработка чугуна, промышленные процессы обработки чугуна, свойства чугуна, области применения чугуна, чугун и проблемы экологии, связанные с ним, основные источники загрязнения окружающей среды чугуном, заболевания, возникшие в результате отравления чугуном, количественное определение чугуна, мировые запасы чугуна, добыча железных руд в мире, стоимость чугуна на мировых рынках, интересные факты о чугуне
Развернуть содержание
Свернуть содержание
Чугун - это крупный сосуд, горшок из чугуна, позднее также из алюминиевого сплава, округлой формы, для тушения и варки в русской печи. Особенностью чугуна является его форма, повторяющая форму традиционного глиняного печного горшка: зауженный к низу, расширяющийся к верхней части и снова сужающийся к горлу. Такая форма позволяет ставить чугун в печь и вынимать его из печи с помощью особого инструмента - ухватa, представляющего собою разомкнутое металлическое кольцо на длинной деревянной ручке.
Чугун - это сплав Fe (основа) с С (обычно 2 4%), содержащий постоянные примеси (Si, Mn, S, P), а иногда и легирующие элементы (Cr, Ni, V, Al и др.). Как правило, хрупок. Получают из железорудных материалов в доменных печах.
Чугун - это первая выплавка из , из коей, перекалкой и отжимкой под кричным молотом, добывается . Белый чугун, жесткий и хрупкий; серый и черный, мягкий.
Шары чугунные
Чугун - это общее обозначение различных форм железа, прежде всего, это серый чугун и болванки (сразу после выхода из ДОМЕННОЙ ПЕЧИ). Сюда относится целый ряд сплавов железа с углеродом и кремнием, содержание углерода колеблется от 1,7 до 4,5%.
Чугун - это сплав железа с углеродом (от 1,5 до 4 %), обычно содержит, кроме того, в незначительных количествах примеси кремния, марганца, фосфора и ; получается из железных руд доменным .
Чугун - это сплав железа с большим количеством углерода и другими элементами. Основная масса чугуна перерабатывается в .
Производство чугуна, стали, и проката
Чугун - это сплав железа с углеродом (и другими элементами). Содержание углерода в чугуне не менее 2,14%(точка предельной растворимости углерода в аустените на диаграмме состояний): меньше - сталь. Углерод придаёт сплавам железа твёрдость, снижая пластичность и вязкость. Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита и графита. В зависимости от формы графита и количества цементита, выделяют белый, серый, ковкий и высокопрочный чугуны. Чугуны содержат постоянные примеси (Si, Mn, S, P), а в некоторых случаях также легирующие элементы (Cr, Ni, V, Al и др.). Как правило, чугун хрупок.
Чугун - это дешевый машиностроительный материал, обладающий хорошими литейными качествами. Он является сырьем для выплавки стали. Получают чугун из железной руды с помощь топлива и флюсов.
Чугун - это выплавленное из руды железо с примесью углерода, более хрупкое и менее ковкое, чем сталь. Сосуд округлой формы, металлический горшок.
Чугун - это сплав железа (основа) с углеродом (2 4,5%), содержащий постоянные примеси (марганец до 1,5%, кремний до 4,5%, сера до 0,08%, фосфор до 1,8%), а иногда и легирующие элементы (хром, и др.). Как правило, хрупок.
Чугун - это железо, содержащее некоторую примесь углерода, получаемое выплавкой из железной руды в доменной печи, более хрупкое и менее ковкое, чем сталь. Горшок, сосуд из такого .
Чугун - это сплав железа с углеродом и некоторыми другими элементами, более хрупкий и менее ковкий, чем сталь. Сосуд округлой формы из такого сплава.
Чугун - это твердый хрупкий сплав железа с углеродом при содержании последнего от 2 до 5%; сопротивление на разрыв 8 12 кг/мм2; выплавляется в доменных печах непосредственно из железной руды в виде полуфабриката), идущего на литье или переделку.
Чугун - это сплав железа, в котором процентное количество углерода составляет от 2,14 до 6,67. Популярность этого материала обусловлена тем, что он недорогой, и обладает отличными литейными качествами. Основное применение чугуна - это сырье для производства стали . Кроме того, добавление в чугун легирующих элементов может довольно значительно изменить его свойства, снижая свойственную этому материалу хрупкость и даже приближая углеродистым сталям. Сырьем для выплавки чугуна является железо, т.е. железная руда. Если совсем просто излагать, то процесс выглядит примерно так: восстановленное железо из оксидов, в которых оно присутствует в руде, расплавляет с подачи воздуха, в результате чего происходит химическая реакция с углеродом - образование чугуна.
Чугун – это один из немногих сплавов, которые позволяют длительное время сохранять температуру содержимого. Чугунные чайники удобно использовать как заварочные. Вы сможете приготовить чай для долгой беседы, не боясь, что в ходе нее приготовленный чай остынет и будет невкусным. Материал таких чайников абсолютно безвреден для человека и уже давно используется в качестве материала для изготовления кухонной утвари. Не рекомендуется использовать подобный чайник для разогрева воды для чая, так как изнутри при изготовлении он покрывается эмалью, которая может деформироваться от большой температуры.
Железо имело промышленное применение уже до нашей эры. В древние времена его получали в пластичном состоянии в горнах. Шлак отделяли, выдавливая его из губчатого железа, ударами молота. По мере техники производства железа постепенно повышалась температура, при которой велся процесс. Металл и шлак стали плавиться; стало возможным разделять их гораздо полнее.
Но одновременно в металле повышалось содержание углерода и других примесей, - металл становился хрупким и нековким. Так появился чугун. Позднее научились перерабатывать чугун; зародился двухступенчатый способ производства железа из руды. В принципе он сохраняется до настоящего времени: современная схема получения стали состоит из доменного процесса, в ходе которого из руды получается чугун, и сталеплавильного передела, приводящего к уменьшению в металле количества углерода и других примесей.
История чугуна, как происходит работа над изделиями чугуна, плавка в доменных печах, и появление самого чугуна
Современный высокий уровень металлургического производства основан на теоретических исследованиях и открытиях, сделанных в различных , и на богатом практическом опыте. Немалая доля в этом процессе принадлежит русским ученым. Например, российские ученые первыми широко применили для доменной плавки.
Чугун в товарных количествах получали ещё до нашей эпохи при выплавке железа шумеры, китаянки, римляне… Чугун рассматривался как побочный менее дорогой продукт. Но ему скоро нашли применение. Так появились чугунные сковородки и котлы. А в обычные века чугун уже стал главным материалом при изготовлении посуды для приготовления пищи. Медный казан, конечно, прогревается быстрее чугунного, но медь и стоит во немало раз дороже. Кроме того, медь легко окисляется, и её окислы весьма вредоносны для здоровья. Поэтому духовную часть такой посуды покрывали тончайшим слоем , который в процессе пользования достаточно быстро истирался и ощущал нужду в постоянном поновлении. К на приобретение посуды прибавлялись расходы на эксплуатацию. Чугун же никаких эксплуатационных затрат не спрашивал.
Сейчас остаётся всё меньше дровяных печек, целый чугунок становится экзотикой, а ухват многие замечали только в кино. Но по - прежнему выпускаются чугунные сковородки, сотейники, котлы, утятницы - гусятницы, разные фигуры для выпечки. Родились в прежде неизвестные нашим согражданам сковородки гриль – квадратной фигуры, с холмистым дном. Так что при целых технических новинках и зигзагах кулинарной моды чугун не намеревается отдавать собственных позиций.
Вот этой резки чугуна просто мурашки по коже, но зато получается весьма не плохо
Ковкий чугун получают длительным отжигом белого чугуна, в итоге которого образуется графит хлопьевидной формы. Металлическая основа такого чугуна: феррит и реже перлит. Ковкий чугунполучил свое название из - за повышенной пластичности и вязкости (при всем при том, что обработке давлением не подвергается). Ковкий чугун обладает повышенной крепостью при растяжении и рослым сопротивлением удару. Из ковкого чугуна изготовляют детали непростой фигуры: картеры заднего моста машин, тормозные колодки, тройники, угольники и т. д.
Конструкция Полицейского моста угодила очень счастливой и была разрешена в качестве « образцовой ». Через отдельное время были заготовлены чугунные блоки для всей серии мостов через Мойку. Александровский завод принимал участие и в проектах по возведению других мостиков в столице. Так в 1814 году были отлиты боковые дощечки, перила и другие подробности к Кровавому мостику, в 1816 - м - к Поцелуеву мостику у Московской заставы.
Стальные ванны служат около 15 лет. Пороками этих ванн являются громкость при наборе воды, принятия душа, ванночки, также нехорошо держат температуру воды, то есть водичка в этих ванных быстро становится прохладной. Акриловые ванны имеют недостаток – быстро появляются царапины, при всем при том, что полировать их можно, но уже через 6 - 7 лет акриловая ванна теряет свой первоначальный вид и становится неприятной на ощупь.
Железо, которое состоит более, чем из 3% углерода, называют чугуном. По сравнением с железом, он имеет значительно более низкую температуру плавления, хорошо подходит для . В Древнем было налажено массовое производство такого металла. Стоил он сравнительно дешево, поэтому чугунные орудия труда были доступны почти всем. Почти все древние сельскохозяйственные орудия того были изготовлены из так называемого белого чугуна. Для него характерны высокая устойчивость к истиранию, твердость и хрупкость. Это приводило к тому, что при ударе о камень мотыга могла просто треснуть. Археологи нашли много монет времен династий Хань, Сун и Цин. Они пришли к выводу, что при нехватке меди – традиционного металла для изготовления , приходилось использовать именно белый чугун. Если этот сплав отливали в специальных формах из керамики и оставляли для медленного остывания на несколько дней, то получали металл, называемый серым чугуном.
Умели в то время производить и ковкий чугун с содержанием углерода не более 1%. Ученые предполагают, что «черный» ковкий чугун получали, выполняя отжиг при температуре более 900 градусов на протяжении нескольких дней. Из него делали наконечники для стрел, мечи, ножницы, наконечники для деревянных лопат и другие предметы. Механические свойства этого металла значительно превосходили белый чугун.
До наших дней дошло много образцов чугунных изделий Древнего Китая. Пожалуй, наиболее необычной можно назвать гробницу, вырезанную в скале примерно в 100 году до н.э. Для того, чтобы надежно закрыть вход, ее стены были залиты сплошным слоем чугуна. Также их этого металла изготавливали статуи различных размеров, колокола, тон звона которых зависел от количества пузырьков в чугуне, якоря и цепи, пушки, кухонную утварь.
Чугун был сначала изобретен в Китае в 4-ом столетии до н.э и лился в формы, чтобы сделать ploughshares и горшки так же как оружие и пагоды. На западе, где это не становилось доступным до конца 14-ого столетия, его самое раннее использование включало орудие и стреляло. Генри начал кастинг орудия в Англии. Скоро, английские железные рабочие, использующие доменные печи, развивали технику производства орудий чугуна, которые, в то время как более тяжелый чем преобладающие бронзовые орудия, были намного более дешевой и позволенной Англией, чтобы вооружить ее флот лучше. Фабриканты железных изделий Пустоши продолжали производить утюги броска до 1760-ых, и вооружение было одним из главного использования утюгов после Восстановления.
С ее относительно низкой точкой плавления, хорошей текучестью, бросая способность, превосходная способность к механической обработке, сопротивление деформации и износостойкости, бросала утюги, стали техническим материалом с широким диапазоном заявлений и используются в трубах, машинах и частях
Наиболее востребованным металлом, применяемым в интерьере и строительстве, является сталь. С помощью стальных балок возводят, в частности, дома для жилья, разнообразные здания, предназначенные для производства или администрирования.
К сожалению, был предан забвению чугун, который сейчас применяют для изготовления, труб, решеток сливных и запасных частей к транспортным средствам.
Пять веков развивалось российское производство чугуна. Одним из главных уральских промыслов с семнадцатого века являлось чугунное литье. Литейный завод, цех которого занимался литьем чугуна, стал символом Урала. Чугун применялся в создании садово-парковых ансамблей, в архитектуре. Из чугуна мастера создавали прекрасные изделия: ограды, скамейки, столбы фонарные, каминные решетки и решетки на окна, печные дверцы, беседки, лестничные перила и многое другое. Большой популярностью пользовались чугунные решетки с литыми воротами с ажурными элементами, а балконы и барельефы из чугуна придавали изысканность дворцам и доходным домам.
Спустя несколько веков чугун прекратил свое триумфальное шествие в качестве основы декора и в двадцатом веке стал считаться «черновым» металлом, который находил себе применение лишь для изготовления разнообразных конструкций. При этом он широко использовался в строительстве, например, для изготовления арматурной сетки в железобетонных изделиях, трубопроводных деталей.
В данное время чугун опять пользуется . Вновь изготавливаются из чугуна перила для балконов и ажурные решетки, статуи, скамьи, беседки и витые фонарные столбы, ООО литейно механический завод вновь выполняет заказы строительных . Активное применение чугуна отмечается в интерьерах. Сейчас вновь популярны решетки для каминов, кронштейны для декоративных фонарей и кашпо. Воспринимая чугун как что-то тяжеловесное и грубое, мы порой поражены его воздушностью и легкостью, видя ажурное плетенье чугунной ограды.
Люди никогда особенно не интересовались историей чугуна, хотя его значение трудно переоценить. Лишь сравнительно узкому кругу известно, какую роль сыграл этот неприметный с виду материал в развитии производительных сил в различные эпохи, но все знают, что чугун и производимая из него в кислородных конвертерах сталь являются основой современной техники и технологии. В ряду конструкционных материалов они, безусловно, стоят на первом месте и не уступят его еще долгое время, несмотря на все более широкое применение , полимерных и керамических материалов.
Уже сегодня число сплавов на основе железа превысило 10 тысяч.
Анализируя европейские языки в области чугунолитейного производства, порой приходишь к интересным наблюдениям. Например, заготовка для дальнейшего переплава в русском и украинском языках называется «чушка», то есть «свинья». Аналогично, в английском языке она называется «Pig Iron», то есть дословно «свиное железо». Это было связано с тем, что литье чушек, в отличие от фасонного литья, доверяли ученикам и подмастерьям, считая этот вид литья самым примитивным и непрестижным. В большинстве европейских языков термин, обозначающий чугун, является производным от коренного термина, присвоенного основному материалу железоуглеродистых сплавов - железу, и означает «литое железо».
Так, на английском языке термину «Iron» - «железо» соответствует термин «Cast Iron» - «литое железо»; на немецком языке термину «Eisen» - «железо» соответствует обозначение «Gusseisen» - «литое железо»; в шведском языке «jarn» - «железо», «gjutjarn» - «литое железо». То же самое в турецком, финском, новогреческом и других языках. Однако во французском языке название чугуна «fonte» связывается с понятием «fondre» - плавить, лить; в русском языке литое железо обозначается термином «чугун», в украинском – явно производное от русского «чавун», которые звучат как иностранные (и в самом деле это так), не имеющее на первый взгляд никакого отношения к термину «железо».
Как это могло случиться, что наиболее характерное отличие чугуна от других сплавов - его получение исключительно в литом состоянии не нашло себе отечественного обозначения, взамен которого стали применять иностранное слово. Откуда пришло к нам слово «чугун» и что оно обозначает?
Чугун как литейный материал был изобретен и освоен в Китае за много веков до новой эры, о чем могут свидетельствовать четырехзарядная чугунная пушка, отлитая в пятом веке до н. э. и существующие до сих пор чугунные отливки, самой крупной из которых считается «лев» высотой около 6 м и длиною 5,4 м. По литературным данным, появление чугуна в Китае относится, по меньшей мере к VI в. до н. э. В противовес этим данным Б. Б. Гуляев считает, что литье чугуна было освоено только 600 лет назад.
Необъятная монгольская империя, возникшая в результате грабительских походов Чингисхана и его первых преемников, в значительной степени облегчила ознакомление с культурными достижениями китайцев, жителей Средней и Восточной .
Сопоставление дат нашествия татар и их утверждение в Восточной Европе и юго-восточных частях Европы (первая половина XIII в.), а также дат путешествий первых европейских послов-разведчиков к татарам - Плано де Карпини (1246), Асцелина (1247), Марко Поло и других, со временем «изобретения» европейцами пороха (конец XIII в.) и чугуна (2-я половина XIV в.), со всей очевидностью показывает взаимную связь этих на первый взгляд разрозненных и как будто совершенно не зависящих друг от друга исторических фактов.
Древняя Русь имела непосредственные связи с Золотой Ордой, в столице которой проживало много русских, имевших там отдельные торговые и ремесленные ряды и даже отдельную епархию, и была в более благоприятных, нежели западные страны, условиях для освоения китайских и хорезмийских достижений в области техники. Поэтому логично, что русское слово - чугун происходит от таджикского слова «чуян» (по татарски «чуен»). Этот термин и для таджиков, и для татар является принесенным извне, а именно от китайцев, у которых термин «чу» («чжу») соответствует глаголу «лить», а термин «гун» равнозначен названию «литейное дело» (производство). Два китайских иероглифа: левый «чжу» - означает «лить», правый «гун» - «делать, производство».
В. Яковлев указывает, что в некоторых языках термин, обозначающий чугун, также образован от термина, присвоенного железу, но в сочетании с разными прилагательными. Так, в китайском языке синоним слова «чугун» - (шэнте) может быть дословно переведено как «живое железо» или как «сырое», «незнакомое», «непривычное» железо. Подобное же можно наблюдать в японском, датском, хинди и других языках.
Но в другой группе языков термин, обозначающий чугун, не был образован так, как в предыдущих случаях. К этим языкам относятся русский, таджикский, туркменский, киргизский, афганский и, вероятно, еще ряд других. По звуковому сходству среди них наиболее близко находится к русскому слову «чугун» афганский термин, обозначающий чугун. По-афгански (чугун) - и обозначает чугун. «Чугун» по-туркменски и по-киргизски - «чоюн», а по-таджикски - «чуян». Складывается впечатление о среднеазиатском, а не китайском происхождении русского термина «чугун». Но это еще не означает, что народы нашей страны познакомились с чугуном через посредничество народов Средней Азии .
Подтверждением того, что русские заимствовали название литого железа от татар и китайцев через посредство среднеазиатских купцов, может служить факт, что в переписных книгах дьяков Юрия Телепнева и Афанасия Фонвизина по Тульским и Каширским заводам 1645-1676 г. мы имеем путаницу неустановившихся технических терминов «литое» и «чугунное» железо.
Герберштейн свидетельствует о том, что на Руси уже при Василии III отливались чугунные ядра, а при Иване Грозном отливались и чугунные колокола и пушки, значит, к этому времени чугунолитейное дело на Руси уже имело долголетнюю практику и пережило период освоения и налаживания.
Китайское происхождение слова «чугун» доказывает и профессор Л. М. Мариенбах. Он считает, что русское название чугуна произошло от китайского слова «чжугун» (должно быть, «чжуцзауогун»), что по-русски означает «литейщик», или от китайского слова «чжугэнди» (должно быть, «чжучанди»), что по-русски означает «литой».
В обоих предположениях были подобраны китайские слова, близкие по звуковому сходству и обозначавшие термины из области производства чугуна. Если же подбирать слова лишь по звуковому сходству, то в китайском языке слово, обозначающее палку или посох, звучит не иначе как «чжугунь». Прямую связь по звучанию между китайским и русским терминами, обозначающими чугун, обнаружить нельзя. Помимо непосредственного знакомства с чугунным литьем в Великих Булгарах и Сарае Берке, московское правительство пользовалось услугами западно-европейских специалистов, и вопреки мнению В. Кнаббе, отливки из чугуна на Руси появились не в XVII в., а значительно раньше. Так, в работе описывается, что из трудов знаменитого ученого древности Аристотеля можно предположить, что ему за 2300 лет до наших дней был известен чугун. Четырьмя столетиями позже римский ученый Плиний Старший сообщал о том, что иногда «железо при плавлении делается жидким, как вода, и после этого ломается подобно губке». Это уже явные признаки чугуна. (Хотя во многих источниках эти признаки трактовались по-разному.)
Выдающийся русский литейщик Н. Н. Рубцов прямо пишет: «Как бы то ни было, мы имеем несколько чугунных отливок, относящихся к эпохам за 5-6 вв. до н. э. В музеях имеется очень много образцов чугуна, относящихся к периоду более, чем за тысячу лет до средних веков, которые считают временем открытия чугуна».
Литье из чугуна было широко распространено до н. э. в Китае, неопровержимым доказательством чего являются существующие до сего времени чугунные отливки. Самая большая из них - чугунный лев около 6 м высоты и более 5 м длины, который стоит вблизи железной дороги Тянь-дзинь-Пукоу у Цзянь-жоу и, вероятно, является самой большой из чугунных статуй, отливка датирована 974 г. н. э . Об этом же памятнике А. М. Петриченко и Е. А. Суходольская пишут, что они сами подробно исследовали эту уникальную отливку и убедились, что форма Царь-льва залита за один раз (или с небольшими перерывами, в течение которых чугун в форме не успевал затвердевать).
По литературным данным появление чугуна в Китае относится, по меньшей мере, к VI в. до н. э. Интересно отметить, что у скифов, населявших территорию нашей страны с 8 в до н. э до конца 2 века н. э. чугунного литья не было. Скифы не пошли в и литье дальше .
По версии американского журнала Modern Casting, 600 лет до н. э. в Китае отлита первая чугунная отливка - треножник (массой 600 ), а в 233 г до н. э. там же были отлиты первые чугунные лемехи.
Известно, что жители Ферганы во II в. до н. э. научились от беглецов из китайских войск лить чугун . В 115 г. до н. э. китайское правительство монополизировало всю железную промышленность, имеются многочисленные указания на то, что одним из главных применения железа была выделка чанов для выпаривания соли из морской воды и, насколько можно проникнуть в глубь веков, чаны эти всегда были чугунными.
Из всех известных в древнем мире стран, только в Китае железо восстанавливалось из руды каменным углем, а во всех других - древесным углем.
Применяемая руда содержала от 0,5 до 1% Р, так что чугун, полученный из этой руды, не должен содержать свыше 1% Р. Отливки же содержали от 5 до 7% Р, причем дополнительное количество было получено из угля. Таким образом, китайцы научились получать сплав, близкий к фосфидной эвтектике, т. е. металл с точкой плавления примерно на 100° ниже бронзы. Этим объясняется и сравнительно широкое распространение чугунных отливок в Китае в давно прошедшие времена и тот, на первый взгляд удивительный, факт, что ни , ни , ни Фергана, ни Россия, покоренная Батыем, имевшие возможность познакомиться с китайским опытом, не могли развить это производство у себя, так как не имели подходящего . Поэтому развитие чугунолитейного производства как бы вновь началось в средние века, когда 1) изобретение более мощных воздуходувных устройств дало возможность перейти к более высоким печам для получения железа, в которых чугун получался вследствие науглероживания восстановившегося железа, на первых порах неожиданно для тогдашних металлургов; 2) когда спрос на чугунные ядра и затем на чугунные пушки создал устойчивый спрос и, следовательно, прочную экономическую основу для молодого производства.
Интересные данные приводит большой знаток художественного и монетного литья А. М. Петриченко, который пишет, что исключением из правил следует признать литье и участие в денежном обращении Китая чугунных монет, которые широко использовались в период Пятицарствия (907-960 гг. н. э.) и особенно в эпоху Сун (960-1279 гг. н. э.). В некоторых регионах с целью экономии меди , хождение имели только чугунные монеты, но и на них существовал запрет вывоза за границу.
В зарубежной, да и в отечественной литературе превалирует мнение о том, что причиной возникновения чугунного литья в Китае послужило наличие высофосфористых руд и применение древними китайскими литейщиками специальных фосфористых добавок.
Даже небольшого экскурса в историю металлургии в Китае достаточно, чтобы убедиться в том, что это является не единственной и не главной причиной раннего появления чугуна в Китае. Главной причиной того, что китайцы первые в мире и более чем на 1500 лет раньше европейцев научились добывать руды, выплавлять чугун и изготовлять чугунные отливки, являются замечательные успехи китайцев в области плавки бронзы и устройства печей к моменту появления железа.
Одни исследователи относят первые отливки к периоду «Воюющие царства», другие небезосновательно полагают, что китайцы умели изготовлять чугунные отливки еще в эпоху «Весна и осень» (722-481 гг. до н.э.). Фактически Китай начал свой железный век, как свидетельствует Ли Хэн-дэ, не добычей сыродутного железа и ковкой из него изделий, а плавкой чугуна и изготовлением чугунных отливок. В этом одна из особенностей самобытного развития литейного производства Китая. Если до сих пор нет сколько-нибудь убедительных доказательств о применении в эпоху «Весна и осень» железных кованых изделий, то о производстве чугунных отливок в этот период очень много существует вполне достоверных данных.
В Китае уже в 513 г. (до н. э.) был изготовлен большой чугунный ритуальный сосуд, на котором был отлит один из сводов тогдашних (своего рода уголовный ). Но первые чугунные отливки представляли собой преимущественно орудия и инструменты сельскохозяйственного назначения. Древние летописные памятники Китая дают неопровержимые доказательства о применении железных (чугунных) сельскохозяйственных инструментов еще в 7 в. до н. э., что привело к резкому повышению урожайности полей.
А. М. Петриченко прямо указывает, что китайцы более чем на 1500 лет раньше, чем европейцы, научились плавить чугун и изготовлять сложные чугунные отливки. К периоду «Воюющих царств» (403-221 гг. до н. э.), т. е. ко времени появления в Китае чугунного кокильного литья, китайские литейщики в совершенстве владели техникой плавки чугуна. К этому же времени они достигли высокого уровня в изготовлении литейных форм. Причем для получения литых денег и других отливок тогдашние литейщики применяли в основном полупостоянные шамотные формы. Половинки таких форм изготовлялись по металлическим (бронзовым) моделям или пресс-формам.
Безусловно, литье чугунных денег было весьма прогрессивным процессом по нескольким причинам.
В-четвертых, выплавить чугун в домашних условиях из руды человеку, не владеющему искусством металлургии, не имеющему подготовленную руду, флюсы и восстановители, рецептура которых практически всегда хранилась в секрете и передавалась от отца к сыну маловероятно.
Китай - страна самой древней литературы по литейному производству. По-видимому, первой книгой по технологии литья была широко известная в Китае книга «Као Гун-ди», написанная более 2000 лет назад. В этой книге изложены не только способы получения отливок, но и дано подробное описание сплавов для различных изделий (мечей, колоколов, домашней утвари и т. д.), их состав и способы плавки. Подобные сведения о разнообразных способах литья имеются и в более поздних источниках.
Более четырехсот лет назад была впервые издана книга Сун Ин-сина «Оригинальные изобретения», в которой даны краткие описания многих наиболее характерных процессов литья, сохранившихся с глубокой древности. Книга эта хорошо иллюстрирована; она переиздавалась много раз.
Интересно отметить, что нашей стране на территории Одесской области у с. Николаевка Беляевского района, в 1964 г. А. И. Мелюковой было найдено три обломка чугунных котлов, являющимися наиболее древними изделиями из чугуна не только , но и на всей европейской части бывшего СССР. Обломки были найдены на поселении греко-варварского типа в непотревоженных слоях в разных местах и на значительной глубине - 0,7-1 м. В этом слое содержалось большое количество изделий античной эпохи, достоверно датируемых IV-III вв. до н. э. Обломки, как и любой деформированный чугун, имели неправильную форму размером 94x140- 110х160 и 95х130 мм, при толщине стенок 3-7 мм. Травление выявило во всех шлифах литую структуру заэвтектического белого чугуна со структурой ледебурита, первичного цементита и небольшого количества графита. Причиной отбела чугуна авторы объясняют малым содержанием кремния, а практически полное отсутствие марганца указывает на то, что чугун выплавлялся без применения флюсов.
Проведенные химический и спектральный анализы доказали, что обломки принадлежали одному котлу и изготовлены из руды, по-видимому, типа бурых железняков, которые часто использовались древними металлургами для получения железа.
Необходимо отметить, что как самостоятельная промышленности, литейное производство выделилось из металлургического производства лишь в конце ХІХ – начале ХХ веков с появлением небольших печей (вагранок), способных плавить металл, обеспечивая достаточный его перегрев и обеспечивая расплавленному чугуну достаточную жидкотекучесть и другие литейные свойства. Именно тогда при литье чугуна перестали использовать только металл первой плавки, а сам чугун стал широко распространенным конструкционным материалом. Но основу для этого заложили именно древние мастера Китая, Узбекистана, Волжской Булгарии.
Литье из чугуна было широко распространено до н. э. в Китае, неопровержимым доказательством чего являются существующие до сего времени чугунные отливки и чугунные кокили. Скифские племена, населявшие территорию нашей страны с 8 в до н. э. до конца 2 века н. э., чугунного литья не знали. Древние летописные памятники Китая дают неопровержимые доказательства о применении железных (чугунных) сельскохозяйственных инструментов еще в 7 в. до н. э. Фактически Китай начал свой железный век не добычей сыродутного железа и ковкой из него изделий, а плавкой чугуна и изготовлением чугунных отливок. В этом одна из особенностей самобытного развития литейного производства Китая. Главной причиной того, что китайцы первые в мире и более чем на 1500 лет раньше европейцев научились добывать руды, выплавлять чугун и изготовлять чугунные отливки, являются замечательные успехи китайцев в области плавки бронзы и устройства печей к моменту появления железа.
Чугуном называют сплав железа с углеродом, содержащий более 2% С. Освобожденная от пустой породы руда представляет собой химическое соединение металла с другими элементами. Для того чтобы получить металл из руды, нужно осуществить определенные химические реакции. При этом на элементы, соединенные с металлом, воздействуют вещества, имеющие с ним меньшее сродство, чем с другими элементами. Так как в железных рудах железо обычно находится в соединении с кислородом, для получения этого металла необходимо осуществлять восстановительные процессы. В чистом виде железо в технике применяется в весьма малых количествах. В основном только в машиностроительном производстве требуются сплавы железа с углеродом. Одним из таких сплавов и является чугун.
Выплавку чугуна из железной руды производят в доменных печах. Эти печи имеют вид башен (шахтные печи). Внутренние части доменной печи выкладывают огнеупорным шамотным кирпичом.Шихта, т.е. руда, топливо и флюс, подается из бункера подъемником 1 в засыпной аппарат колошника 2, откуда и поступает во внутреннюю полость печи. Печь имеет шахту 4, распар 5, заплечики 8, горн 9, дно которого называется лещадью. расплавленного чугуна производится через отверстие - чугунную летку, выше которой расположена шлаковая летка, через которую выпускают жидкий шлак. Воздух, необходимый для получения чугуна, вдувается под давлением в подогретом состоянии (до 1200°С) в фурмы 7 (12-18 шт.), проходя по кольцевой трубе 6, расположенной выше давление воздуха у фурм до 350 кн/м2 (3,5 кГ/см2). Доменный («колошниковый») газ отводится через трубы 3 в очистительные устройства, так как он в дальнейшем используется как топливо для нужд доменного производства и других целей.
Чугун получил широкое распространение как конструкционный материал в машиностроительной, металлургической и других отраслях промышленности в связи с рядом преимуществ перед многими материалами, среди которых основные - невысокая стоимость и хорошие литейные свойства. Изделия, изготовленные из него, имеют достаточно высокую прочность и износостойкость при работе на трение и характеризуются меньшей, чем сталь, чувствительностью к концентраторам напряжений.
В белых чугунах весь углерод связан в химическое соединение карбид железа Fe3C - цементит. В серых чугунах значительная часть углерода находится в структурно-свободном состоянии в виде графита. Если серые чугуны хорошо поддаются механической обработке, то белые обладают очень высокой твердостью и режущим инструментом обрабатываться не могут. Поэтому белые чугуны для изготовления изделий применяют крайне редко, их используют главным образом в виде полупродукта для получения ковких чугунов. Получение белого или серого чугуна зависит от состава и скорости охлаждения.
При производстве чугуна топливом служат:
Термоантрацит;
Природный газ
Выплавляют чугун в доменных печах, представляющих собой вертикальную металлическую шахту, футерованную внутри огнеупорным кирпичом с высоким содержанием глинозема. Жидкий чугун выпускают в ковши, откуда его выливают в формы или миксеры (сборники-смесители, где сплав сохраняется некоторое время в жидком состоянии). Полученные в печах чугуны разделяют на литейные и передельные. Литейные чугуны применяют для производства чугунных отливок, передельные - для производства стали. Для отливки изделий чугун плавят в вагранках, пламенных и электрических печах. Расплавленный при температуре 1380-1420° С жидкий чугун выпускают через летку в футерованные огнеупором литейные ковши для разливки чугуна по формам, изготовляемым из формовочного со связками.
В последние годы применяют прогрессивные способы литья чугуна: под давлением, центробежным способом в оболочковые формы. Залитый в форму чугун находится в ней до момента полного перехода в твердое состояние, вначале расширяясь, а впоследствии давая усадку около 1 %. Отливку под давлением производят на специальных установках, состоящих из котла с расплавленным металлом, разъемных форм, механизма давления и раскрытия форм. Центробежный способ литья основан на принципе действия центробежных сил на металл, залитый во вращающуюся форму. Таким способом можно отливать различные изделия - трубы, кольца, втулки, сплошные и биметаллические.
Отечественными учеными и практиками разработан способ бесслитковой прокатки тонкого чугунного листа. Чугун, расплавленный в вагранках, прокатывают, в ленту между валками с последующим отжигом в течение 2-3 ч. при температуре 980-1050° С. При этих условиях чугунный лист приобретает некоторую пластичность, позволяющую пробивать в нем отверстия, разрезать ножницами, загибать и др.
Производство черных металлов из железной руды - сложный , который может быть условно разделен на две стадии. На первой стадии получают чугун, а на второй - его перерабатывают в сталь. Учитывая, что учащиеся уже знакомы с основами металлургических процессов из средней школы, ниже рассмотрим лишь основные положения технологии чугуна и стали. Чугуном называют сплав железа с углеродом 2... 6,67 %, кроме них в состав сплава могут входить кремний, марганец, сера, фосфор и др. Исходными материалами для производства чугуна являются железные руды, топливо и флюсы.
Бурая железная рудаШпатовый РеСОз железняки, содержащие 30...70 % железа и пустую породу из различных природных химических соединений SiO2, А12Оз и др., и вредные примеси (серы, фосфора).
Топливом служит кокс - продукт сухой перегонки (без доступа воздуха) коксующихся каменных углей. Флюсы (плавни) - известняки, доломиты, кварц, песчаники применяют для понижения температуры плавления пустой породы и перевода ее и золы топлива в шлак. Основным способом производства чугуна из руд в настоящее время является доменный процесс, заключающийся в восстановлении железа из руд (оксидов) при высокой температуре и отделении его от пустой породы руды.
Чугун выплавляют в доменных печах объемом до 5000 м3, куда руду, кокс и флюсы загружают чередующимися слоями, опускающимися вниз печи под влиянием собственной массы. В нижнюю часть печи - горн через отверстия - фурмы подают под давлением нагретый воздух, необходимый для поддержания горения топлива. Кокс, сгорая в верхней части горна, образует СО2, C+O2 = CO2, который поднимается вверх по печи и, встречая на своем пути раскаленный кокс, переходит в оксид углерода: CO2-f-:-f-C=2CO. Оксид углерода восстанавливает оксиды железа до чистого железа по таком порядке Fe2O3, F3O4, FeO, HFe. Этот процесс может быть представлен следующими реакциями: 3F9Q3+СО = 2F3O4 +СО2; 2Fe3O4+2CO=6FeO+2CO; 6FeO+6CO = 6Fe+6CO2. В нижней части печи часть восстановленного железа соединяется с углеродом и образуется карбид железа Fe3C (науглероживание железа). Затем происходит расплавление науглероженного металла, который стекает в горн доменной печи, при этом насыщение железа углеродом продолжается. В результате плавления происходит восстановление не только железа, но и других элементов, находящихся в руде Si, Mn, P, которые, а также часть серы в виде FeS переходят в чугун. В горн стекает также расплавленый шлак и всплывает над чугуном, так как его плотность меньше, чем чугуна.
Расплавленные чугун и шлак периодически выпускают через специальные отверстия - чугунную и шлаковую летки, сначала шлак, а затем - чугун. К прогрессивным процессам развития доменного производства следует отнести улучшение подготовки шихты за счет дробления, тщательной промывки, сортировки и обогащения железных руд, которое производится, например, путем магнитной сепарации. Широко развивается производство агломерата путем спекания мелочи руды в более крупные куски. доменных печей достиг 5 тыс. м3, что обеспечило улучшение коэффициента использования полезного объема, снижение расхода топлива на 1 т. передельного чугуна.
По данным IISI, мировое производство чугуна за 2002 г. по 42 ведущим странам мира составило около 600 млн. тонн. Относительно 2001 года производство чугуна выросло на 5,5%.
Наверняка многие сталкивались в быту или же на производстве с чугунными изделиями. Этот материал обладает хорошей прочностью и превосходными литейными качествами.
Чугун это стальной, или же правильнее сказать, железоуглеродистый сплав, состоящий из железа и углерода, который имеет объем от 2,14 % до максимальных 6,67 % и может входить в состав как цементит или же графит. Чугун по определению относится к машиностроительному материалу, отличающемуся дешевизной, а также простотой в производстве и служит основой для выплавки стали. Его получение относится к сложным химическим процессам, протекающим на определенных стадиях производства.
Данный сплав помимо железа с углеродом включает дополнительные примеси, влияющие на его свойства. Разнообразный состав чугуна, обеспечивает ему высокую твердость, текучесть, повышает хрупкость. В него включаются: сера, кремний, марганец, фосфор. Сплав чугуна из-за входящего углерода имеет высокие показатели по твердости, но при этом снижается ковкость, а также пластичность вещества. Для придания металлу особых характеристик добавляются некоторые присадки. В качестве легирующих компонентов применяются: никель, ванадий, а также хром, алюминий. Формула чугуна состоит из железоуглеродистой основы с дополнительными включениями. Обладает плотностью порядка 7,2 г/см3, что является довольно высоким значением для металлических соединений.
Состоит чугун из нескольких компонентов, из-за чего свойства его вариаций могут существенно отличаться. Кроме углерода и железа, состав включает до 2 % марганца, 1,2 % фосфора, 4,3 % кремния и до 0,07 % серы. Кремний отвечает за состояние жидкотекучести, значительно улучшает литейные качества, а также делает мягче. Для усиления прочности используют марганец. Добавление серы снижает тугоплавкость и понижает его жидкотекучесть. Кроме того, она оказывает вредное воздействие, проявляющееся в появлении на горячих отливках трещин (красноломкость). Наличие фосфора снижает механические свойства, однако позволяет отливать предметы сложной формы.
Структура чугуна выглядит как металлическая основа с включениями из графита. В зависимости от вида, включает перлит, пластинчатый графит, а также ледебурит. Данные элементы определяют его характеристики и присутствуют в различных количествах или же полностью отсутствуют.
Температура плавления составляет от минимальных +1160 °С до максимальных +1250 °С. Имеет высокие антикоррозионные показатели, активно противодействует как сухой (химической), так и влажной коррозии. Благодаря ему появилась на свет нержавейка – стальной сплав, имеющий высокое содержание хромовой составляющей.
Чугун широко используется в машиностроении при отливке разнообразных деталей. Применяется для изготовления коленчатых валов, а также двигательных блоков. Кроме того, производятся высококачественные колодки, имеющие высокую устойчивость к трению. Применяются при низких температурах, где применяется исключительно чугун благодаря своим высоким эксплуатационным свойствам. Данные качества используют при производстве различных элементов машин, где используется чугунный сплав для работы в жестком климате. Этот материал широко применяется металлургами благодаря превосходным литейным характеристикам и невысокой цене. Отлитые изделия имеют высокую износостойкость, повышенную прочность.
Многие сантехнические детали также изготавливаются из чугунной основы. Это батареи, радиаторы отопления, трубы, ванны, разнообразные раковины с мойками. Многие изделия служат и по сей день, хотя устанавливались несколько десятилетий назад. Эти предметы сохраняют первоначальный облик долгие годы и не требуют проведения реставрационных работ. Кроме того, чугунная посуда считается одной из самых удобных при готовке многих блюд.
Чугунный сплав по своим характеристикам подразделяется на передельный, а также литейный. Первый применяют при выплавке стали, используя кислородно-конвертерный метод. Данный вид отличается пониженным количеством марганца и кремния. Литейный чугунный материал служит для производства многочисленных деталей. Образцы изделий из этой основы можно увидеть на соответствующих фото.
К особой разновидности относятся никельхромистые сплавы (нихарды). К ним относится низкоуглеродистый, а также высокоуглеродистый чугун. Первый отличается усиленной прочностью, а второй – повышенной износостойкостью. Основными разновидностями являются белый и серый сплавы. Эти материалы отличаются содержанием углерода, а также свойствами. Кроме того, активно используются ковкие, легированные и высокопрочные виды.
Серые чугуны имеют низкую пластичность, вязкость, легко поддаются резке при обработке. Применяются при изготовлении неответственных деталей, а также элементов, работающих на износ. В сером чугуне углерод содержится в виде графита, перлита либо феррито-перлита. Его количество составляет около 2,5 %, что обеспечивает высокую прочность изделиям. Из серого сплава изготавливают корпуса различного промышленного оборудования, зубчатые шестеренки, кронштейны, втулки. Материал, содержащий высокое количество фосфора (порядка 0,3 – 1,2 %) обладает хорошей жидкотекучестью и применяется в художественном литье.
Содержит большое количество углерода (свыше 3 %), представленного в виде цементита либо карбида. Белый цвет в месте разлома данного материала дал название и соединению. Сплав этого вида имеет повышенную ломкость, а также хрупкость, что значительно сужает область использования. На его основе производят детали незамысловатой формы для выполнения статических функций без воздействия значительных нагрузок. Технические характеристики белого материала можно улучшить путем добавления легирующих компонентов. Для этого используется никель, хром, гораздо реже – алюминий либо ванадий. Марка с такими присадками называется «сормайт». Ее используют в качестве нагревательного элемента в разнообразных устройствах. Сормайт отличается стабильными характеристиками при температурных значениях не более +900 °С. Этот материал служит основой при изготовлении обычных бытовых ванн.
Этот вид получают из белого путем отливки с дальнейшей термообработкой. При этом применяется отжиг длительного воздействия, при котором цементит распадается, образуя графит. Этот процесс получил название графитизация с образованием в структуре углеродистых хлопьев. Графит приобретает такую форму благодаря продолжительному отжигу. Это положительно влияет на металлическую основу, которая становится более цельной, пластичной и вязкой.
Ковкий чугун прекрасно эксплуатируется при пониженных температурах и не сильно чувствителен к надрезам. Применяется при изготовлении элементов, работающих при непрерывном трении. Помимо этого, ковкий сплав служит основой для изделий весьма сложной конфигурации: угольники, тормозные колодки, тройники, автомобильные картеры для задних мостов и прочих конструкций. Улучшение свойств достигается путем добавления бора, теллура, магния.
Обладает повышенной прочностью и используется для получения изделий ответственного назначения, а в некоторых случаях заменяет даже сталь. Этот высокопрочный чугун получают добавлением в серый вид особых примесей (церий, кальций, иттрий, магний). Из него производят шестерни, поршни, коленчатые валы и прочие детали. Высокая теплопроводность позволяет отливать элементы для отопительных узлов, а также трубопроводов.
Чугунный сплав легированного вида содержит дополнительные примеси. В состав входят в повышенном содержании титан, никель, хром, а также цирконий, ванадий, молибден, алюминий и прочие элементы. Они придают высокую прочность, твердость, износостойкость. Применяются легированные материалы при производстве деталей механизмов, взаимодействующих с газовыми, агрессивными средами, а также работающих под воздействием водных растворов.
Этот сплав относят к материалам, производимым черной металлургией. Его зачастую сравнивают со сталью при определении тех или же иных характеристик. Сделанный из чугуна предмет имеет невысокую стоимость по сравнению со стальным аналогом. Помимо этого, чугунные элементы имеют меньший вес и прочность. Эти свойства чугуна значительно расширяются за счет использования различных добавок в сплавы. Его параметры имеют следующие положительные качества:
Получение чугунного сплава относится к материалоемким и затратным процессам. На выплавку одной тонны материала потребуется порядка 900 л обычной воды и около 550 кг кокса. Температура плавления составляет порядка +1200 °С, что требует наличия специфического плавильного оборудования. Для получения массы необходима руда, где массовая доля содержащегося железа составляет свыше 70 %. Обедненные рудные породы не используются по причине экономической неэффективности.
Материал выплавляют в особых доменных печах. Там железная руда проходит полный технологический цикл, начиная с восстановления оксидов руды и заканчивая получением на выходе чугунного сплава. Литье материала требует наличия топлива: кокса, термоантрацита, а также природного газа. По окончании восстановительного процесса железо в твердой форме помещается в особую часть печи для растворения в нем углерода. После взаимодействия получается чугунная масса, которая в жидком виде опускается вниз. Нерасплавленные примеси выталкиваются на поверхность и впоследствии удаляются. Этот шлак применяется для производства многочисленных материалов. После удаления из расплава ненужных частиц, проводят добавление присадок для получения определенных марок чугунных сплавов.
В состав чугуна входят железо, углерод и разнообразные примеси, которые придают сплаву определенные свойства. Массовая доля углерода в материале должна быть не менее 2,14%, иначе это будет не чугун, а сталь. Этот элемент придает сплаву повышенную твердость, но снижает его ковкость и пластичность. Поэтому чугун является достаточно хрупким материалом. Из других постоянных примесей стоит выделить кремний, марганец, серу и фосфор. В некоторые марки чугуна вводят дополнительные присадки, которые позволяют придать сплаву дополнительные свойства. В качестве легирующих элементов используются хром, никель, ванадий и алюминий.
Плотность чугуна составляет 7,2 грамма на сантиметр кубический. Это является достаточно высоким показателем для металлов и их сплавов. Чугун отлично подходит для литья при производстве разнообразных изделий для всех отраслей промышленности. По этому показателю он незначительно уступает сталям некоторых марок, превосходя все остальные сплавы железа.
Температура плавления чугуна составляет 1200 градусов по Цельсию, что на 250-300 градусов ниже, чем необходимо для плавления стали. Это связано с повышенным содержанием углерода и как следствие его менее тесной связью с атомами железа на межмолекулярном уровне. При выплавке чугуна и последующей кристаллизации весь углерод не успевает внедриться в структурную решетку железа, поэтому чугун получается хрупким. Его не используют для производства продукции, которая будет эксплуатироваться под воздействием постоянных динамических нагрузок. Зато он идеально подходит для деталей, к которым предъявляется требование повышенной прочности.
Получение чугуна - очень материалоемкий процесс, требующий серьезных затрат. На получение одной тонны сплава уходит около 550 килограмм кокса и 900 литров воды. Затраты руды зависят от содержания в ней железа. Обычно используется сырье с массовой долей элемента не менее 70%, так как обработка более бедных руд экономически неоправданна. Такое сырье сначала проходит процедуру обогащения, а уже потом отправляется на переплавку. Производство чугуна проходит в доменных печах. Лишь около 2% от всего производимого в мире материала выплавляется в электропечи.
Технологический процесс состоит из нескольких взаимосвязанных этапов. На первом этапе в доменную печь загружают руду, которая содержит так называемый магнитный железняк (соединение двухвалентного и трехвалентного оксидов железа). Также в качестве сырья могут использоваться руды с содержанием водной окиси железа или его солей. Вместе с сырьем в печь загружают коксующиеся угли, которые предназначены для создания и поддержания высокой температуры. Кроме того продукты их горения принимают участие в химических реакциях в качестве восстановителей железа.
Дополнительно в топку подает флюс, который выступает в качестве катализатора и помогает породам быстрее плавиться, освобождаю тем самым железо. Стоит отметить, что перед попаданием в доменную печь руда проходит специальную предварительную обработку. Они измельчается при помощи дробильной установки, так как мелкие частицы быстрее расплавятся. Затем ее промывают, чтобы удалить все лишние элементы, которые не содержать металла. После этого высушенное сырье проходит обжиг в специальных печах, который позволяет удалить из соединений серу и другие чужеродные элементы.
Когда доменная печь загружена и готова к эксплуатации начинается второй этап производства. После запуска горелок кокс начинает разогревать сырье, выделяя при этом углерод, который, проходя через воздух, реагирует с кислородом и образует оксид. Этот оксид активно участвует в восстановлении железа из соединений, находящихся в руде. При этом, чем больше газа становится в печи, тем слабее протекает химическая реакция. После достижения определенной пропорции она им вовсе прекращается. Избыток газов используется как топливо для поддержания температуры в печи. Такой подход имеет несколько положительных моментов. Во-первых, снижаются затраты ископаемого горючего, что несколько удешевляет производство продукции. А, во-вторых, продукты горения не выбрасываются в атмосферу, загрязняя ее вредными примесями, а продолжают свое участие в технологическом процессе.
Избыток углерода смешивается с расплавом и, поглощаясь железом, образует чугун. Все не расплавившиеся элементы породы всплывают на поверхность и удаляются из материала. Отходы называют шлаком, который затем пойдет на производство других материалов. После удаления всех лишних частиц в расплав при необходимости добавляют разнообразные присадки. Таким способом получают два вида сплавов: передельный и литейный чугун.
Передельный материал используется для производства стали кислородно-конвертерным способом. Этот вид характеризуется низким содержанием марганца и кремния в составе сплава. Литейный чугун идет на производство разнообразной продукции. Он делится на пять разновидностей, который стоит рассмотреть более детально. Белый чугун является сплавом, в котором избыточная часть углерода содержится в виде цементита или карбида. Свое название он получил за характерный белый цвет в районе излома. Массовая доля углерода в нем составляет более 3%. Этот материал характеризуется повышенной ломкостью и хрупкостью, поэтому его использование весьма ограничено.
Применяется данный вид при производстве простых деталей, которые работают в статических условиях и не несут дополнительной нагрузки. Добавление в сплав легирующих присадок позволяет повысить технические характеристики материала. Для этих целей используется никель или хром, реже алюминий и ванадий. Марка данной разновидности, которая носит название «сормайт» используется в качестве нагревательного элемента в различных устройствах. Она обладает хорошими показателями удельного сопротивления и без проблем работает при температурах до 900 градусов по Цельсию. Из белого чугуна изготавливают ванны для бытовых нужд.
Серый чугун - наиболее распространенная разновидность материала, которая применяется во многих отраслях народного хозяйства. В этом сплаве углерод присутствует в виде графита, перлита или феррито-перлита. Массовая доля углерода находится на уровне 2,5%. Материал обладает высокой для чугуна прочностью, поэтому используется для производства деталей, имеющих циклическую нагрузку определенного уровня. Из него изготавливают втулки, корпуса различного промышленного оборудования, кронштейны, зубчатые шестеренки.
Графит значительно улучшает действие смазки и снижает влияние трения, так что детали обладают повышенной стойкостью к этому виду износа. При необходимости эксплуатации в агрессивных средах в состав серого чугуна вводятся дополнительные элементы, которые позволят выдержать негативное воздействие. К ним можно отнести никель, хром, молибден, бор, сурьму, медь. Эти элементы позволяют защитить чугун от влияния коррозии. Также некоторые из них повышают уровень графитизации свободного углерода в сплаве, что позволяет создать защитный барьер, через который не могут пробиться какие-либо разрушающие элементы.
Половинчатый чугун является промежуточным материалом между первыми двумя разновидностями. В нем часть углерода содержится в виде графита, а часть - в виде карбида. Также в сплаве могут в незначительных долях присутствовать цементит (до 1%) и лидебурит (до 3%). Массовая доля углерода в материале составляет 3,5-4,2%. Эта разновидность используется для производства деталей, которые будут проходить эксплуатацию в условиях постоянного трения. К ним относятся тормозные колодки для автомобильной промышленности и разнообразные измельчительные валки для станков. Для повышения износостойкости в сплав по традиции вводятся легирующие присадки.
Ковкий чугун является разновидностью белого сплава, который был подвергнут специальному отжигу с целью графитизации свободного углерода в составе материала. Этот вид обладает улучшенными демпфированными свойствами по сравнению со сталью. К тому же он менее чувствителен к надрезам и хорошо проявляет себя в работе при низких температурах. Углерод, массовая доля которого составляет до 3,5%, находится в сплаве в виде феррита, феррито-перлита или зернистого перлита с вкраплениями графита. Используется данный материал в автомобильной промышленности для изготовления деталей, работающих в условиях постоянного трения. Для повышения его эксплуатационных характеристик в сплав добавляют магний, бор и теллур.
Высокопрочный чугун получается в результате образования в сплаве шаровидной формы включения графита в металлическую решетку. Это ослабляет металлическую основу кристаллической решетки и приводит к появлению улучшенных механических свойств. Процесс образования шаровидного графита производится путем введения в сплав магния, церия, иттрия и кальция. По своим техническим характеристикам материал очень близок к высокоуглеродистой стали. Он хорошо поддается литью и способен заменять стальные литые элементы в механизмах. Высокий уровень теплопроводности позволяет использовать данный вид при изготовлении отопительных приборов и трубопроводов.
Перспективы развития чугунной промышленности выглядят не особо радужно. Высокий уровень затрат на производство одной тонны материала и большое количество отходов заставляют промышленников искать более дешевые заменители. Быстрое развитие науки уже сейчас позволяет получать лучшие сплавы при меньших затратах. А в условиях глобальной экологической опасности не обращать внимания на загрязняющий фактор производство недопустимо. Поэтому металлурги по всему миру отказываются от доменных печей в пользу электрического оборудования.
Но перевести выплавку чугуна на эти рельсы в кратчайшие сроки физически невозможно. Это потребует колоссальных финансовых затрат, которые не потянет ни одно государство. Так что остается лишь ждать, как скоро промышленники сумеют наладить массовый выпуск новых сплавов. Полностью отказаться от чугуна в ближайшие десятилетия, конечно, не получится, но его мировое производство неуклонно будет снижаться. Эта тенденция наблюдается уже в течение последних 5-7 лет.
Среди металлов, производимых в одном технологическом процессе выделяются одни из самых распространенных — сталь и чугун. При том, что один делается в результате переделки другого, эти металлы существенно отличаются друг от друга, как по своему составу, так и по использованию в экономике.
Сталью называют железо-углеродистый сплав, в котором содержание углерода не превышает 3,4 процентов . Обычный показатель — в пределах 0,1-2,14 % . Он снижает пластические характеристики стали, при этом делая ее тверже и прочнее. В легированной и высоколегированной содержится более 45% железа. Упругость стали определяет ее востребованность при создании машиностроительной продукции, в первую очередь силовых пружин и рессор, амортизаторов, подвесок, растяжек и других упругих частей.
Независимо от форм и условий эксплуатации упругих частей машин, механизмов и приборов, у них есть общее замечательное качество. Оно заключается в том, что, несмотря на большие ударные, периодические и статические нагрузки у них нет остаточной деформации.
Стали классифицируют в соответствии с их назначением, химическим составом, структурой и качеством. Категорий назначений стали множество, в том числе такие как:
Стали могут различаться по содержанию в них углерода, от низкоуглеродистых, в которых его до 0,25%, до высокоуглеродистых с 0,6-2%. В легированных может быть от 4 до 11 и выше процентов соответствующих добавок. В зависимости от содержания различных примесей они классифицируются на стали с обыкновенными качествами, высококачественные и обладающие особо высокими качествами.
При ее производстве главное — добиться снижения до необходимого уровня содержания серы и фосфора, делающих металл ломким и хрупким. При этом применяются разные способы, окисления углерода, которые могут быть мартеновским, конверторным и электротермическим. При мартеновском способе необходимо много тепловой энергии, которая выделяется при сжигании газа или мазута. С помощью электричества нагреваются дуговые или индукционные печи. Для конвертерного варианта внешнего источника тепла не нужно. Здесь обычно расплавленный чугун отделяется от примесей путем продувания через него кислорода.
Сырьем для производства стали служит металлом, передельный чугун, добавки, образующие шлаки и обеспечивающие легирование стали. Сам процесс плавки может проводиться в разных вариантах. Случается, что он начинается в мартеновской печи, а заканчивается в электрической. Или для того, чтобы получилась сталь, устойчивая против коррозии, она после плавления в электропечи сливается в конвертер. В нем она продувается кислородом и аргоном для минимизации содержания углерода. Плавится сталь при температуре 1450-1520 °C .
Сплав железа с углеродом также может именоваться чугуном. Однако в отличие от стали, в нем должно быть не менее 2,14 % углерода, придающему этому очень твердому материалу высокую хрупкость, При этом он становится менее пластичным и вязким. В зависимости от содержания в нем цементита и графита чугун может именоваться белым, серым, ковким и высокопрочным.
Первый содержит 4,3-6,67 % углерода . Он светло-серый на изломе. Используют его преимущественно для получения ковких чугунов с применением технологии отжига. Серым называется чугун по серому цвету его излома из-за наличия графита в пластинчатом виде и наличия кремния. В результате продолжительного отжига белого чугуна выходит чугун ковкий. У него повышенная пластичность и вязкость, удароустойчивость и большая прочность. Из него изготавливают сложные детали для машин и механизмов. Его маркируют буквами «К» и «Ч», после которых ставятся цифры, указывающие на предел прочности и относительное удлинение.
Высокопрочный чугун отличается наличием в нем шаровидного графита, не допускающего концентрации напряжений и ослабления металлической основы. Для его упрочнения используют лазер, что позволяет получать ответственные детали машин повышенной прочности. Для промышленных потребностей существуют различные классификации чугуна передельного, антифрикционного, легированного и графитсодержащего. Его температура плавления в пределах 1 150 до 1 200 °C.
Чугун зарекомендовал себя универсальным, недорогим и прочным материалом . Из него изготавливают сложные и массивные детали машин и механизмов, уникальные художественные изделия. Чугунные украшения и памятники украшают многие города мира. Столетиями служат людям искусно выполненные из него ограды старинных зданий, ступеньки в них, водопроводные и канализационные трубы. Чугунные люки закрывают коммуникационные колодцы на улицах многих населенных пунктов. Ванны, мойки и раковины, отопительные радиаторы из этого материала отличаются надежностью и долговечностью. Из чугуна отливают коленчатые валы и блоки цилиндров двигателей внутреннего сгорания, тормозные диски и другие детали автомобилей. Обычно чугунные детали после отливки подвергаются дополнительной механической обработке.
Сталь и чугун являются материалами, широко используемыми в промышленности, на транспорте и в строительстве. Внешне они бывают очень схожими.
Однако существуют такие основные различия между ними:
