Чугун: что это и почему его часто выбирают для литья

Если говорить просто, чугун - это железоуглеродный сплав, который получают в металлургии и используют там, где важны хорошие литейные свойства. Когда спрашивают, что такое чугун, обычно хотят понять, чем он отличается от стали и почему ведет себя иначе в работе. Ключевая причина - состав: углерода в нем больше, поэтому расплав легче заполняет форму, а после охлаждения деталь лучше сохраняет геометрию.

Из-за особенностей структуры чугун чаще проигрывает по ударной вязкости, зато может быть очень стабильным, износостойким и удобным для серийного выпуска деталей сложной формы. Для него лучше подходит холодная сварка, а детальнее о ней читайте в нашей статье. Поэтому на вопрос «что такое чугун» корректнее отвечать не одной фразой, а через сочетание свойств и задач, для которых его выбирают.

Из чего состоит чугун и какие элементы влияют на свойства

По составу чугун - это сплав железа с углеродом. Поэтому формулировка «чугун - это сплав чего» сводится к базовому ответу: железо + углерод, плюс небольшие доли других элементов. Но важна не только химия, а и то, в каком виде углерод присутствует в структуре.

• Если углерод связан в виде карбидов, материал получается тверже, но более хрупким.
  
• Если углерод выделяется в виде графита, улучшаются литейные свойства и часто повышается обрабатываемость.
  

Из-за этого один и тот же общий термин «чугун» на практике может означать материалы с разным поведением - многое зависит от типа чугуна и того, как сформировалась микроструктура при охлаждении.

В расплаве обычно присутствуют кремний, марганец, сера и фосфор - их содержание контролируют, потому что они заметно влияют на прочность, хрупкость, обрабатываемость и износ. Кремний, например, способствует формированию графита и часто делает структуру более “мягкой”. Марганец частично нейтрализует вредное влияние серы. А сера и фосфор при повышенных значениях ухудшают свойства: повышают хрупкость и могут создавать проблемы в эксплуатации. Поэтому в профессиональной среде вопрос «что такое чугун» почти всегда означает уточнение марки и назначения: один подходит для корпусных деталей, другой - для износостойких элементов, третий - для более ответственных узлов.

Отдельный частый вопрос - из чего делают чугун на заводе. Технологически его получают из подготовленной железной руды, кокса (он работает и как топливо, и как источник углерода) и флюсов. Если сказать проще, чугун получают из рудного сырья, кокса и добавок, которые помогают вывести примеси в шлак. Руда дает железо, кокс обеспечивает температуру и насыщает расплав углеродом, а флюсы (например, известняк) связывают пустую породу и нежелательные компоненты, чтобы они ушли в шлак, а не остались в металле.

Так становится понятнее, из чего состоит чугун “в итоге”: основа железная, нужный процент углерода и уровень примесей задаются качеством сырья и режимами плавки. Влияют температура, время пребывания расплава, интенсивность дутья, качество кокса. Поэтому, когда говорят «из чего делают чугун», важно помнить: состав формируется и шихтой, и технологией, а небольшие отклонения по примесям могут ощутимо менять свойства.

Как получают чугун: понятная схема доменной печи

Чтобы объяснить, что называют чугуном в производстве, достаточно представить доменную печь как непрерывный процесс получения расплава. Сверху загружают шихту слоями, снизу подают горячий воздух. Внутри руда восстанавливается до железа, металл плавится, а примеси отделяются в виде шлака. На выходе получают жидкий металл заданного состава.

Кратко по шагам:

1. Подготавливают сырье: руду обогащают, кокс сортируют, флюсы подбирают под состав руды.
   
2. Загружают шихту в домну слоями: руда, кокс и флюсы.
   
3. Внутри печи железо восстанавливается и переходит в расплав, а углерод растворяется в металле.
   
4. Примеси связываются и уходят в шлак, который выпускают отдельно.
   
5. Выпускают расплавленный металл - дальше его разливают или отправляют на дальнейший передел.
   

Поэтому на вопрос «чугун - что это такое» можно ответить так: это продукт первичной плавки железной руды в доменной печи, предназначенный для литья или дальнейшей переработки.

Виды чугуна и где его применяют

По структуре и назначению чаще всего выделяют серый, белый и высокопрочный чугун. Серый часто выбирают для корпусных деталей и станин: он хорошо обрабатывается и помогает гасить вибрации. Белый - тверже и более износостойкий, но заметно хрупче. Высокопрочный применяют там, где нужна повышенная прочность при сохранении литейных преимуществ. 

А если вам интересно, как убрать ржавчину с металла - читайте нашу статью: “Как эффективно убрать ржавчину с металла: лучшие методы и средства”