Чугун

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

Историческая справка. Первые сведения о Ч. относятся к 6 в. до нашей эры. В Китае из высокофосфористых железных руд получали Ч., содержащий до 7% Р, с низкой температурой плавления, из которого отливали различные изделия. Ч. был известен и античным металлургам 4-5 вв. до нашей эры. Производство Ч. в Западной Европе началось в 14 в. с появлением первых доменных печей (штюкофенов) для выплавки Ч. из руд (см. Металлургия). Полученный Ч. использовали или для передела в сталь в кричном горне (см. Кричный передел),или для изготовления различных строительных деталей и оружия (пушки, ядра, колонны и др.). В России производство Ч. началось в 16 в.; в дальнейшем оно непрерывно расширялось, и при Петре I Россия по выпуску Ч. превзошла все страны, но через столетие отстала от западно-европейских стран. Появление во 2-й пол. 18 в. вагранок позволило литейным цехам отделиться от доменных, т. е. положило начало независимому существованию чугунолитейного производства (при машиностроительных заводах). В начале 19 в. возникает производство ковкого Ч. Во 2-й четверти 20 в. начинают применять легирование чугуна (см. Легированный чугун), что дало возможность существенно повысить его свойства и получать специальный Ч. (износостойкие, коррозионностойкие, жаростойкие и т.д.). К этому же периоду относится также разработка способов модифицирования Ч. В конце 40-х гг. был получен модифицированный Ч. с включениями графита шаровидной формы вместо обычной пластинчатой, что обусловливало значительно более высокую прочность металла (s_ь до 500 Мн/м², или 50 кгс/мм², в литом состоянии и 1200 Мн/м², или 120 кгс/мм²после термической обработки; такой Ч. получил название высокопрочного). В 60-х гг. в электрических печах начали получать из стальных отходов с добавлением карбюризаторов т. н. синтетический Ч. с высокими механическими свойствами при пластинчатой форме графита (см. Железоуглеродистые сплавы).

Классификация и свойства чугуна. Ч., получаемый в доменных печах, подразделяется на передельный чугун, используемый для передела в сталь, и литейный чугун, служащий одним из основных компонентов шихты в чугунолитейном производстве.

До 70-х гг. 20 в. в доменных печах иногда выплавляли т. н. зеркальный Ч. (10-25% Mn), применявшийся в качестве раскислителя при выплавке стали и для получения специальных видов Ч. При использовании для выплавки Ч. железных руд, содержащих Сг, Ni, Ti и др. легирующие элементы, получают т. н. природнолегированные Ч. При производстве отливок в чугунолитейных цехах Ч. подразделяют: в зависимости от степени графитизации, обусловливающей вид излома, - на серый, белый и половинчатый (или отбелённый); в зависимости от формы включений графита - на Ч. с пластинчатым, шаровидным (высокопрочный Ч.), вермикулярным и хлопьевидным (ковкий Ч.) графитом; в зависимости от характера металлической основы - на перлитный, ферритный, перлитно-ферритный, аустенитный, бейнитный и мартенситный; в зависимости от назначения - на конструкционный и Ч. со специальными свойствами; по химическому составу - на легированные и нелегированные.
Серый Ч. - наиболее широко применяемый вид Ч. (машиностроение, сантехника, строительные конструкции) - имеет включения графита пластинчатой формы. Для деталей из серого Ч. характерны малая чувствительность к влиянию внешних концентраторов напряжений при циклических нагружениях и более высокий коэффициент поглощения колебаний при вибрациях деталей (в 2-4 раза выше, чем у стали). Важная конструкционная особенность серого Ч. - более высокое, чем у стали, отношение предела текучести к пределу прочности на растяжение. Наличие графита улучшает условия смазки при трении, что повышает антифрикционные свойства Ч. Свойства серого Ч. зависят от структуры металлической основы, формы, величины, количества и характера распределения включений графита. Перлитный серый Ч. имеет высокие прочностные свойства и применяется для цилиндров, втулок и др. нагруженных деталей двигателей, станин и т.д. Для менее ответственных деталей используют серый Ч. с ферритно-перлитной металлической основой.
Белый Ч. представляет собой сплав, в котором избыточный углерод, не находящийся в твёрдом растворе железа, присутствует в связанном состоянии в виде карбидов железа Fe₃C (цементит) или т. н. специальных карбидов (в легированном Ч.). Кристаллизация белых Ч. происходит по метастабильной системе с образованием цементита и перлита. Белый Ч. вследствие низких механических свойств и хрупкости имеет ограниченное применение для деталей простой конфигурации, работающих в условиях повышенного абразивного износа. Легирование белого Ч. карбидообразующими элементами (Cr, W, Mo и др.) повышает его износостойкость.
Половинчатый Ч. содержит часть углерода в свободном состоянии в виде графита, а часть - в связанном в виде карбидов. Применяется в качестве фрикционного материала, работающего в условиях сухого трения (тормозные колодки), а также для изготовления деталей повышенной износостойкости (прокатные, бумагоделательные, мукомольные валки).
Ковким называется Ч. в отливках, изготовленных из белого Ч. и подвергнутых последующему графитизирующему отжигу, в результате чего цементит распадается, а образующийся графит приобретает форму хлопьев. Ковкий Ч. обладает лучшей демпфирующей способностью, чем сталь, и меньшей чувствительностью к надрезам, удовлетворительно работает при низких температурах. Механические свойства ковкого Ч. определяются структурой металлической основы, количеством и степенью компактности включений графита. Металлическая основа ковкого Ч. в зависимости от типа термообработки может быть ферритной, ферритно-перлитной и перлитной. Наиболее высокими свойствами обладает ковкий Ч., имеющий матрицу со структурой зернистого перлита; им можно заменять литую или кованую сталь. В тех случаях, когда требуется повышенная пластичность, применяют ферритный ковкий Ч. Для интенсификации процесса графитизации при термообработке ковкий Ч. модифицируют Te, В, Mg и др. элементами. Ковкий Ч. используют в основном в автомобиле-, тракторо- и сельхозмашиностроении. Наблюдается тенденция (особенно в автомобилестроении) к замене ковкого Ч. высокопрочным с шаровидным графитом с целью повышения прочности отливок, уменьшения длительности технологического цикла и упрощения технологии изготовления.
Высокопрочный Ч., характеризующийся шаровидной или близкой к ней формой включений графита, получают модифицированием жидкого чугуна присадками Mg, Ce, Y, Ca и некоторых др. элементов (в чистом виде или в составе сплавов). Шаровидный графит в наименьшей степени ослабляет металлическую матрицу, что приводит к резкому повышению механических свойств Ч. с чисто перлитной или бейнитной структурой, приближая их свойства к свойствам углеродистых сталей. При чисто ферритной матрице (в литом или термообработанном состоянии) обеспечивается повышенный уровень пластичности. Высокопрочный Ч. обладает хорошими литейными и технологическими свойствами (жидкотекучесть, линейная усадка, обрабатываемость резанием), но по значению сосредоточенной объёмной усадки приближается к стали. Такой Ч. применяется для замены стальных литых и кованых деталей (коленчатые валы двигателей, компрессоров и т.д.), а также деталей из ковкого или обычного серого Ч. Высокопрочные Ч., имеющие включения т. н. вермикулярного графита (при рассмотрении в оптическом микроскопе - утолщённые изогнутые пластины со скруглёнными краями), по свойствам занимают промежуточное положение между Ч. с шаровидным и Ч. с пластинчатым графитом. Этот Ч. обладает хорошими технологическими свойствами при небольшой объёмной усадке и высокой теплопроводностью (почти такой же, как у серого Ч.). Ч. с вермикулярным графитом применяется в дизелестроении и других областях машиностроения.
Легированные Ч. Для улучшения прочностных, эксплуатационных характеристик или придания Ч. особых свойств (износостойкости, жаропрочности, жаростойкости, коррозионностойкости, немагнитности и т.д.) в его состав вводят легирующие элементы (Ni, Cr, Cu, Al, Ti, W, V, Mo и др.). Легирующими элементами могут служить также Mn при содержании > 2% и Si при содержании > 4%. Легированные Ч. классифицируют в соответствии с содержанием основных легирующих элементов - хромистые, никелевые, алюминиевые и т.д. По степени легирования различают низколегированные (суммарное количество легирующих элементов < 2,5%), среднелегированные (2,5-10%) и высоколегированные (> 10%). Низколегированные Ч. имеют перлитную или бейнитную структуру матрицы, среднелегированные - обычно мартенситную, высоколегированные - в большинстве случаев аустенитную или ферритную.
Ч. с 5-7% Si (силал) применяется в качестве жаростойкого материала. Ч. с 12-18% Si (ферросилид) обладает высокой коррозионной стойкостью в растворах солей, кислот (кроме соляной) и щелочей. Такой Ч., легированный молибденом (антихлор), характеризуется высокой стойкостью в соляной кислоте. Ч. с 19-25% Al (чугаль) обладает наибольшей по сравнению с известными Ч. жаростойкостью в воздушной среде и средах, содержащих серу. В качестве износостойких наибольшее распространение получили Ч., легированные Cr (до 2,5%) и Ni (до 6%) - нихарды. Аустенитные никелевые Ч., легированные Mn, Cu, Cr (нирезисты), применяются как коррозионностойкие и жаропрочные.
Маркировка чугунов. По принятой в СССР маркировке обозначения марок доменных Ч. содержат буквы и цифры. Буквы указывают основное назначение Ч.: П - передельный для кислородно-конверторного и мартеновского производства и Л - литейный для чугунолитейного производства. Литейный коксовый Ч. обозначают ЛК, в отличие от Ч., выплавленного на древесном угле (ЛД). С увеличением числа в обозначении марки уменьшается содержание кремния (например, в Ч. ЛК5 содержится меньше кремния, чем в Ч. ЛК4). Каждая марка Ч. в зависимости от содержания Mn, Р, S подразделяется соответственно на группы, классы и категории. Марки Ч. литейного производства, как правило, обозначаются буквами, показывающими основной характер или назначение чугуна: СЧ - серый Ч., ВЧ - высокопрочный, КЧ - ковкий; для антифрикционного Ч. в начале марки указывается буква А (АСЧ, АВЧ, АКЧ). Цифры в обозначении марок нелегированного Ч. указывают его механические свойства. Для серых Ч. приводят регламентированные показатели пределов прочности при растяжении и изгибе (в кгс/мм²), например СЧ21-40. Для высокопрочного и ковкого Ч. цифры определяют предел прочности при растяжении (в кгс/мм²) и относительное удлинение (в %), например ВЧ60-2. Обозначение марок легированных Ч. состоит из букв, указывающих, какие легирующие элементы входят в состав Ч., и стоящих непосредственно за каждой буквой цифр, характеризующих среднее содержание данного легирующего элемента; при содержании легирующего элемента менее 1,0% цифры за соответствующей буквой не ставятся. Условное обозначение химических элементов такое же, как и при обозначении сталей (см. Сталь). Пример обозначения легированных Ч.: ЧН19ХЗ - Ч., содержащий ~19% Ni и ~3% Cr. Если в легированном Ч. регламентируется шаровидная форма графита, в конце марки добавляется буква Ш (ЧН19ХЗШ).
Чугун в искусстве. Ч. как материал для производства художественных отливок использовался ещё средневековыми мастерами (например, в 10 в. нашей эры в Китае из Ч. было отлито уникальное изваяние льва весом 100 т,не сохранилось). С 15 в. в Германии, а затем и в других странах Европы (в России - с конца 17 в.; см. также Каслинское литьё)художественное литьё из Ч. получило особенно широкое распространение (парковая скульптура, надгробия, решётки, ограды, садовая мебель и пр.). В 20 в. более массивное, чем бронзовое, но более дешёвое чугунное литьё со свойственной ему выразительностью тяжёлой массы материала и глухого тона применяется почти так же широко, как и бронзовое.
Ч. находит разнообразное применение в архитектуре (с конца 18 в.). Особенно характерно использование чугунных конструкций для зодчества 19 в. ("век Ч.").
Лит.: Гиршович Н. Г., Чугунное литье, Л. - М., 1949; его же, Кристаллизация и свойства чугуна в отливках, М. - Л., 1966; Бунин К. П., Малиночка Я. Н., Таран Ю. Н., Основы металлографии чугуна, М., 1969.
? Б. С. Мильман, Е. В. Ковалевич, В. Т. Соленков.