Виды чугуна и его области применения: разнообразные сферы использования

Где он востребован? Использование чугуна определяется его свойствами, и в целом этот материал находит применение в разнообразных сферах промышленности: от производства оборудования для нефтегазовой отрасли до изготовления оград и посуды.

Каким бывает? В зависимости от добавок меняются свойства чугуна и, соответственно, варианты его применения. Также примеси влияют на обрабатываемость материала, поэтому необходимо ознакомиться с маркировкой, прежде чем приступать к работе.

Вопросы, рассмотренные в материале:

• Описание чугуна
• Виды чугуна
• Классификация белого и серого чугуна
• Влияние примесей на характеристики чугуна
• Назначение чугуна

Описание чугуна

К различным видам чугуна относят высокоуглеродистые сплавы на основе железа, точнее – сплавы железа с углеродом, который содержится в них в процентных долях свыше 2,14 % и представляет собой либо аллотропную модификацию – графит, либо карбид железа (цементит).

Уникальные свойства подобных сплавов обусловлены особенностями их выплавки. Различные типы чугуна, благодаря высокой углеродистости, плавятся в среднем при температуре около +1 200 °C, что на 300 градусов меньше температуры плавления стали. Дело в том, что связи между углеродом и железом на атомарном уровне не слишком прочные.

Атомы углерода не полностью встраиваются в кристаллическую структуру расплавленного железа, а значит, полученный при плавке чугун обладает высокой хрупкостью. Эта особенность не позволяет применять его для производства узлов и деталей, подвергающихся в ходе эксплуатации интенсивным нагрузкам, особенно – ударным.

Чугун относят к черным металлам. По многим характеристикам сплав сравним со стальным. Бытовые предметы, инструменты, детали механизмов – эти и еще огромное количество изделий из чугуна или стали постоянно окружают каждого из нас. Если сравнивать данные материалы, следует выделить следующие моменты:

1. изделия из чугуна дешевле стальных;
2. визуально эти материалы отличаются по цвету: поверхность чугуна темная и матовая, а стали – светлая и блестящая;
3. чугун имеет меньшую, чем у стали температуру плавления, но значительно тяжелее поддается свариванию и ковке;
4. чугун уступает стали в прочности;
5. чугунные сплавы обладают меньшим удельным весом, чем стальные;
6. чугун отличается от стали более высокой углеродистостью.

Чугунные сплавы в качестве материалов для автомобильной промышленности, станкостроения, тяжелого машиностроения и т. д. наряду с очевидными преимуществами имеют ряд недостатков.

К плюсам следует отнести следующие факторы:

• экологичность;
• хорошее сохранение тепла;
• высокая теплоотдача;
• устойчивость к колебаниям температуры и воздействию кислот и щелочи;
• коррозионная стойкость;
• прочность отдельных марок сравнима с долговечностью стальных сплавов;
• стойкость к изнашиванию.

Рекомендуем статьи

• Электрошлаковая сварка: преимущества, технология, оборудование
• Чем отличаются металлы от неметаллов: физические и химические свойства
• Хранение электродов и восстановление покрытия

К недостаткам относятся:

• хрупкость, требующая бережного обращения с деталями в ходе сборки;
• большая масса деталей и узлов из чугунных сплавов;
• ржавление при продолжительном воздействии влаги.

Основные направления, в которых работает российская черная металлургия – выплавка чугуна и стальных сплавов, а также производство металлопроката. Продукция востребована наиболее важными производственными сферами – машино- и станкостроением, строительной, химической, легкой промышленностью и другими.

Виды чугуна

Различные марки чугуна отличаются друг от друга процентными долями углерода и прочих добавок. В зависимости от формы входящего в состав чугунных сплавов углерода различают:

Белый чугун

В состав таких сплавов входит цементит или карбид железа, который придает металлу износостойкость и высокую твердость. Минусом этого материала является плохая обрабатываемость на металлорежущих станках. Говоря о назначении белого чугуна, следует упомянуть про изготовление деталей и узлов для автотранспорта и сельскохозяйственной техники. Из него производят шары для мельниц, приводные и опорные колеса.

Белый чугун по фазовому состоянию бывает:

• доэвтектическим с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 %;
• эвтектическим – с углеродом от 4,3 %;
• заэвтектическим – с содержанием углерода от 4,3 % до 6,67 %.

Остальные марки чугунных сплавов содержат углерод в форме графита.

Серый чугун

Включения углерода в структуре таких чугунных сплавов имеют пластинчатую форму. Также в их состав входят добавки:

• кремния (до 0,8 %);
• марганца (0,3 %) и др.

При изготовлении форм для литья такого металла, называемых кокилем, используют литейную землю или сталь. Основное назначение серого чугуна – производство узлов и деталей, эксплуатация которых не связана с ударными нагрузками. Речь идет о клиноременных передачах, чашках подшипников и т. п. Такой металл имеет маркировку СЧ 32-52, где первыми цифрами обозначают предел прочности на растяжение, а вторыми – на изгиб.

Ковкий чугун

Структура таких сплавов включает углерод в виде хлопьев, помимо которого в них содержатся кремний (до 1,4 %), марганец (1 %) и другие добавки. Сырьем для производства ковкого чугуна служит белый.

Для того чтобы получить ковкий чугун, заготовки необходимо прогреть и выдержать при нужной температуре определенное время. Технологи используют для этой процедуры термин «томление». В маркировке КЧ 45-6 первым числом обозначена прочность на растяжение, а вторым – удлинение в процентах.

Назначение ковкого чугуна достаточно разнообразно – это подходящий материал для тонкостенных отливок (толщиной от 3 до 5 мм), эксплуатация которых связана с динамическими и знакопеременными нагрузками.

Высокопрочный чугун

Включения углерода в структуре такого металла имеют форму шаров, которые формируются при модифицировании – введении магния. По характеристикам подобное соединение сравнимо с углеродистыми стальными сплавами. По литейным качествам этот чугун уступает только серому. Высокопрочные типы чугуна используют для изготовления поршней, коленвалов, компонентов тормозных систем и т. д.

Маркировка высокопрочного чугуна (ВЧ-45-5) содержит указание прочности на растяжение и удлинение в процентах.

Классификация белого и серого чугуна

Ниже приведена классификация белых и серых типов чугуна по их назначению. Эти сплавы бывают:

• Антифрикционными. Из них изготавливают детали особо нагруженных узлов трения – корпусов подшипников, втулок, вкладышей, валов и т. п.
• Износостойкими – предназначенными для производства насосов, дверок и колосников печей и других изделий, подвергающихся в ходе эксплуатации интенсивному воздействию внешних факторов.
• Жаростойкими – из таких сплавов изготавливают детали, на которые при эксплуатации воздействует высокая температура (коксохимическое оборудование, газотурбинные двигатели и т. п.).
• Коррозионностойкими – из таких сплавов изготавливают детали, в ходе эксплуатации подвергающиеся воздействию агрессивной среды. Чаще всего они применяются в химической или авиационной промышленности.
• Жаропрочными, высокая стойкость которых как при обычной, так и при высокой температуре позволяет производить детали арматуры и котлов, промышленные колосники и т. д.

Влияние примесей на характеристики чугуна

Свойства и качество чугунных сплавов зависят от входящих в их состав компонентов:

• Сера снижает тугоплавкость и текучесть.
• Фосфор уменьшает прочность, но позволяет изготавливать детали сложной конфигурации.
• Кремний положительно сказывается на литейных качествах, понижая температуру плавления. Благодаря этой добавке можно менять цвет сплава от белого до ферритного.
• Марганец повышает прочность и твердость чугуна, но отрицательно сказывается на его литейных и технологических качествах.
• Титан, алюминий, хром, никель и медь используют в качестве легирующих добавок, изменяя в нужную сторону те или иные параметры сплава.

Чугун тяжело поддается сварке, что связано с особенностями его химического состава, структуры и механических свойств. Сварка заготовок из чугунных сплавов требует учета специфических свойств:

1. жидкотекучести, которая позволяет формировать только горизонтальные швы;
2. низкой пластичности, приводящей к образованию при нагреве и охлаждении заготовок зон внутреннего напряжения и растрескиванию;
3. интенсивного выгорания углерода, вызывающего порообразование;
4. окисления расплавленного чугуна с формированием тугоплавких окислов.

При помощи сварки обычно исправляют дефекты литья, ремонтируют изношенные или поврежденные детали и монтируют сварные конструкции.

Назначение чугуна

Полноценную замену чугунным сплавам найти очень сложно из-за их уникальных характеристик и физико-химических свойств. Немаловажной является и относительная дешевизна этих материалов. Назначение чугуна в современной промышленности очень разнообразно. Особенно хорошо он подходит для изготовления прочных деталей сложной конфигурации.

Чугун широко применяется:

1. В автомобильной промышленности. Речь идет о чугуне с включениями вермикулярного графита. Из такого металла изготавливают коленвалы дизельных моторов и блоки цилиндров ДВС. Графит многократно повышает прочность сплава, делая его востребованным данной отраслью промышленности.
2. При производстве сантехнического оборудования, где также широко используются чугунные сплавы с добавлением графита. Из чугуна изготавливают ванны, раковины, рукомойники, фитинги и многие другие изделия и детали, отличающиеся надежностью, не нуждающиеся в специальном уходе и долго сохраняющие свою эстетическую привлекательность.
3. В нефтегазовой промышленности, где из него изготавливают сегменты нефте- и газопроводов. Применение чугунных сплавов в этой отрасли связано с их высокими эксплуатационными характеристиками – прочностью, надежностью, долговечностью, коррозионной и химической стойкостью.
4. При производстве труб и радиаторов отопления, где эти материалы востребованы благодаря высокой теплоотдаче и теплонакоплению. Трубы из чугуна излучают тепло еще долгое время даже при выключенном отоплении – через час температура радиаторов снижается только на 2/3 (изделия из стали уступают по этому показателю чугунным почти в два раза).
5. При производстве посуды. Благодаря пористости чугун хорошо впитывает жиры, что делает его идеальным материалом для казанов, сковородок и горшков, которые с годами становятся все более антипригарными. Пища, приготовленная в такой емкости, приобретает полезные свойства и при хранении не накапливает канцерогены.

Чугунные сплавы широко применяются для изготовления ограждений, решеток, винтовых лестниц, балконов, беседок, каминов, светильников, фонарей, художественных изделий и элементов декора.

Если более подробно разбирать назначение различных марок чугуна, получится толстая книга. Значение этих сплавов для современной промышленности и бытового использования велико. Чугун служит человечеству повсюду и играет важную роль в его развитии.

Читайте также

Что лучше чугун или сталь?

Выбор между чугуном и сталью зависит от конкретного применения и требований к материалу. Оба материала имеют свои преимущества и недостатки, и выбор будет зависеть от вашего предпочтения, бюджета, функциональности и внешнего вида. Вот некоторые аспекты для сравнения:

Чугун:

Преимущества чугуна:

• Высокая теплоемкость: Чугун обладает высокой теплоемкостью, что означает, что он может долго сохранять тепло и равномерно распределять его.
• Эстетический вид: Чугунные предметы обычно имеют классический и уникальный вид, что может придать особый характер интерьеру.
• Прочность: Чугун отличается хорошей прочностью и долговечностью.

Недостатки чугуна:

• Тяжесть: Чугунные изделия обычно тяжелые, что может усложнить их установку и перемещение.
• Уязвимость к ударам: Чугун может быть более хрупким по сравнению с некоторыми другими материалами и может быть более уязвим к механическим повреждениям.

Сталь:

Преимущества стали:

• Легкость: Стальные изделия обычно легче чугунных, что упрощает их транспортировку и установку.
• Прочность и устойчивость к ударам: Сталь обычно менее хрупкая и более устойчива к ударам по сравнению с чугуном.
• Большой выбор стилей: Стальные предметы могут иметь разнообразные дизайны и стили, что позволяет легче интегрировать их в различные интерьеры.

Недостатки стали:

• Меньшая теплоемкость: Сталь имеет меньшую теплоемкость, чем чугун, и может быстрее остывать.
• Может потребовать дополнительной изоляции: В некоторых случаях стальные поверхности могут требовать дополнительной изоляции для сохранения тепла.

В итоге выбор между чугуном и сталью будет зависеть от ваших личных предпочтений, стиля интерьера, функциональности, а также факторов, таких как бюджет и конкретное применение.

Видео. Чугун. Марки, свойства, применение. Ремонт сваркой. Cast iron welding