Свойства чугуна

Чугуном называет сплав железа с углеродом, а также с другими элементами.

Характеристика чугуна

Важным фактором именно при производстве чугуна служит то, что в составе сплава минимальное количество углерода составляет 2,14% и более. Если же в сплаве содержание углерода ниже указанного количества, то данный сплав не является чугуном, а называется сталью. Процесс производства стали и чугуна примерно одинаковый. Главным отличием двух данных сплавов является количественное содержание углерода в их составе. Так как в чугуне содержится большее количество углерода, чем в стали, то чугун представляет собой очень прочный, но хрупкий материал. В то время, как сталь является очень  гибкой. Именно большое содержание углерода в составе чугуна придает данному материалу исключительную твердость, которая по шкале Мооса составляет целых 7,5 баллов. Данный показатель существенно больше, чем у кварца, однако, меньше, чем у алмаза, но всего лишь на 2,5 балла.

Углерод в чугуне может представлять собой цементит и графит. Именно формой графита и количественным содержанием цементита в сплаве определяется вид чугуна. Таким образом, чугун подразделяется на белый, серый, ковкий и высокопрочный. Химический состав чугуна, в котором присутствуют такие примеси как, кремний, марганец, сера и фосфор, является почти всегда постоянным. Однако, в некоторых случаях, чугун также может содержать следующие легирующие элементы: хром, никель, алюминий, ванадий и другие. Данные компоненты вводятся в состав сплава с целью придания ему большей прочности, износостойкости, жароупорности, устойчивости к коррозии, немагнитности. Чугун, в котором присутствуют указанные примеси, называется легированный чугун. Количественное содержание указанных примесей в сплаве определяет степень его легирования. В зависимости от этого, различают:

• низколегированный чугун. В его составе содержится менее 2,5% всех легирующих примесей;
• среднелегированный чугун. Тут примеси составляют порядка 2,5 – 10%;
• высоколегированные, содержащие более 10% легирующих элементов.

Химические признаки легированных чугунов являются главным фактором для их классификации. Таким образом, среди легированных чугунов выделяют:

• алюминиевый чугун. В его составе присутствует алюминий в количестве от 0,6 до 31%. Такой чугун более прочный, более жаростойкий, устойчивый к коррозии, а также имеет высокую износостойкость. Применение данного сплава уместно там, где осуществляется работа в агрессивной среде и при высоких температурах – термические печи, аппараты химического оборудования, газовые двигатели.
• никелевый чугун. В его составе присутствует никель в количестве от 0,3-0,7% до 19-21%. Содержание никеля напрямую оказывает влияние на форму графитовых выделений в структуре никелевого чугуна. Данный сплав обладает такими свойствами, как высокая устойчивость к коррозии, высокая устойчивость к воздействию на материал как высоких так и достаточно низких температур (жаропрочность и хладостойкость), а также способен выдерживать воздействие такой агрессивной среды, как морская вода. Последнее свойство никелевого чугуна определяет высокую востребованность данного материала в судостроительстве, так как используется для изготовления деталей, работающих в морской воде.
• хромистый чугун. В составе данного сплава находится около 32% хрома. Данный вид легированного чугуна обладает следующими свойствами: жаростойкость, коррозионностойкость, износостойкость.

Стоит отметить, что в целом стоимость легированных чугунов существенно ниже, чем стоимость нержавеющих сталей. Кроме этого, им присущи хорошие литейные свойства. В связи с этим, изделия из данного сплава получаются очень прочными, качественными, и в то же время экономичными.

Добыча чугуна осуществляется в процессе выплавки железной руды в доменных печах при температуре в пределах 1150 – 1200⁰С.

История чугуна

Чугун известен человечеству с далеких времен, которые уходят своими корнями еще в эпоху до нашей эры. Этому свидетельствуют многочисленные археологические находки, среди которых присутствуют как и чугунные предметы, так и сами сыродутные печи, в которых, собственно, люди и получали данный материал. Однако, железо является далеко не первым историческим металлом, с которым познакомилось человечество. Изначально люди использовали самородную медь, которую добывали в неглубоких шахтах. Однако, не смотря на появление металла в жизни людей, на протяжении достаточно длительного времени очень популярным оставался камень. Позже люди научились изготавливать бронзу, и только в VI-V до нашей эры в жизни людей появилось железо, а вместе с ним сталь и чугун.

Родиной чугунных изделий является Китай. Именно там была впервые освоена технология литья чугуна и зародился данный термин, который и пришел позже в Россию через татаро-монгольское посредничество. Таким образом, первые чугунные изделия также появились в Китае. Это было множество разнообразных предметов повседневного обихода, кухонная утварь, а также монеты. Достаточно популярная на сегодняшний день сковорода «вок» одной из первой была произведена в Китае именно из чугуна. В те далекие времена она представляла собой сосуд, диаметр которой достигал одного метра. Данная сковорода также имела очень тонкие стенки. Ее стоимость была достаточно высока, однако, не смотря на это, данный кухонный инвентарь был крайне популярен и востребован в больших китайских семьях.

Кроме этого, археологи находят уникальные вещи, вылитые из чугуна, среди которых следует отметь чугунного льва, имеющего высоту 6 метров и длину 5 метров. По словам ученых, данная статуя была отлита за один раз. Это свидетельствует о том, что в те далекие доисторические времена, при отсутствие современных высококлассных технологий, китайские металлурги достигли огромного мастерства в работе с металлами, в частности с чугуном.

Достаточно интересным и в какой-то степени необычным фактом является то, что считается, что ковкий чугун начали производить лишь только в ХІХ веке нашей эры, при том, что археологи находят чугунные мечи, сделанные еще в дохристианскую эпоху.

Россия и Европа познакомились с чугуном спустя не одно столетие, а именно только в ХІV – XVI веках. В это время чугун был основным материалом для производства артиллерийских снарядов и оружия. И только в XVII веке использование чугуна существенно расширяется. Этому способствовало развитие металлургической промышленности. Постепенно закончилась эпоха артиллерийского применения чугуна и началась эпоха художественного литья – новую столицу Российской Империи повсюду украшали литые ограды, лавки, а также другие элементы тонкого чугунного литья. Чугун также стал причиной изменений в печном деле, поскольку на смену пришли чугунные задвижки и печные дверцы, имеющие существенно преимущество – устойчивость к высоким температурам, а также герметичность, что не позволяло печному дыму выходить из печи и задымлять помещение.

Русские мастера-металлурги считались в те времена лучшими. Они владели многими технологиями обработки чугуна, которые постоянно перенимали английские, французские и немецкие мастера.

На сегодняшний день, в эпоху нано-технологий и технологического прогресса, когда с каждым годом появляются все новые материалы, развитие металлургии не останавливается и продолжает двигаться вперед. И спустя более двух тысяч лет человечество так и не смогло найти материал, который смог бы заменить чугун. Он и дальше продолжает использоваться для изготовления различных предметов, окружающих людей.

Использование чугуна

Свойства чугуна настолько уникальны, что до настоящего времени не нашлось еще более подходящего материала, который мог бы заменить данный сплав. Кроме того, чугун является достаточно дешевым материалом. В связи с этим, применение чугуна остается широким и разнообразным. Особенно применение чугуна уместно там, где следует изготовить детали, имеющие сложную форму, а также обладающие высокой прочностью. В связи с этим, чугун нашел свое широкое применение в следующих сферах человеческой деятельности:

• автомобильная промышленность. В данном случае применяется чугун с вермикулярным графитом. Именно он является основным материалом для изготовления коленчатых валов дизельных двигателей, а также блоков цилиндров двигателей внутреннего сгорания. Благодаря содержанию графита прочность сплава в разы увеличивается, что и является основной причиной популярности чугуна в данной отрасли.
• сантехническое оборудование. Как и в случае с автомобильной промышленностью, также применяется чугун с графитом. Именно такой материал отлично подходит для производства труб, применяемых как для водоотведения, так и для водоснабжения. Также его активно используют при производстве ванн, раковин, рукомойников, фитингов и много другого. В данном случае, изделия обладают высокой надежностью, не требуют определенного специфического ухода, сохраняют на протяжении длительного периода свой первозданный внешний вид.
• нефтегазовая промышленность. Из чугуна изготавливаются не только водопроводные трубы, но и трубы для транспортировки, закачки и выкачки нефти и газа. Основная причина использования чугуна в данной отрасли кроется в том, что изделия из чугуна обладают достаточно высокими эксплуатационными качествами.
• отопление. Из чугуна производятся трубы и радиаторы отопления. Использование материала в данном случае обусловлено его высокой теплоотдачей, а также хорошими теплоаккумулирующими свойствами, что является очень важным и выгодным. После отключения отопления, спустя час времени, чугунные трубы способны продолжать излучать тепло на треть от своей изначальной мощности. И тут чугун полностью преобладает над сталью, которая не может похвалиться подобными качествами, ведь стальные трубы остывают вдвое быстрее.
• кухонный инвентарь. Материал имеет большие поры, благодаря чему у него присутствует способность впитывания жиров во время приготовления пищи. В связи с этим, из чугуна производятся горшки, казаны и сковороды, антипригарные свойства которых с годами становятся все лучше. Кроме этого, учеными было доказано, что во время приготовления блюд в чугунной посуде, происходит обогащение пищи полезными питательными свойствами. Кроме этого, чугунная посуда способна предотвращать во время дальнейшего хранения пищи канцерогенов.

Из чугуна изготавливаются ограждения и решетки, винтовые лестницы, балконы, беседки, камины, светильники, столбы, фонари, скульптуры и т.д.

Как определить чугун

Знание материала, из которого сделаны те или иные предметы, очень важно. Например, оно необходимо для того, чтобы произвести ремонтные работы некоторых автомобильных комплектующих, отдельных деталей или других предметов. Это связано, прежде всего, с тем, что разный материал поддается разным видам и способам обработки (например, сварка, сверление и др.).

Итак, чугун можно в некоторых случаях определить визуально. Однако, такой способ подойдет в том случае, если есть какие-то трещины, сколы или разрывы материала. Если присутствуют любые подобные дефекты, то следует тщательно осмотреть его. Чугунная деталь на сломе или трещине будет окрашена в темно-серый цвет и иметь матовую поверхность. В то время, как сталь будет иметь светло-серый, ближе к белому, цвет и глянцевый блеск. Если присмотреться к поверхностным дефектам, то чугун будет иметь характерные полусферические мелкие зерна. К сожалению, такой способ не является точным определением материала, поскольку определить «на глаз» чугун это или нет можно только в том случае, если заливка сплава (в данном случае чугуна) в форму осуществлялась при низкой температуре, не обрабатывался в дальнейшем и не покрывался никакими лакокрасочными материалами. Именно характерные мелкие полусферические зерна и свидетельствуют о заливке сплава при высокой температуре.

Больше информации в определении чугуна может дать механический способ. Для этого необходимо получить стружку сплава. Это можно сделать путем сверления на небольшую глубину какого-то участка неработающей детали. Для высокопрочного чугуна стружка будет характерной – она будет крошиться, растираясь в руках в пыль и оставляя на пальцах след, похожий на грифель от простого карандаша. Чугунная стружка не способна завернуться в витой вьюн. Это обусловлено одним из свойств чугуна – хрупкостью.

Если же чугунное изделие попробовать разрезать болгаркой, то от него полетят короткие искры, имеющие красноватый оттенок на звездочке в конце трека.

Все указанные варианты имеют место быть для определения чугуна в домашних условиях. Однако, они не могут дать 100% определения. Для более точного определения сплава используют спектральный анализ, микроскопический анализ, а также взвешивание и определение объема.