Чугун

(перенаправлено с «Белый чугун»)

Чугу́н — сплав железа с углеродом (и другими элементами), в котором содержание углерода не менее 2,14 % (точка предельной растворимости углерода в аустените на диаграмме состояний), а сплавы с содержанием углерода менее 2,14 % называются сталью. 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 другие). Как правило, чугун хрупок.

Чугун
чугунная решётка Михайловского сада
Фазы железоуглеродистых сплавов
  1. Феррит (твёрдый раствор внедрения C в α-железе с объёмно-центрированной кубической решёткой)
  2. Аустенит (твёрдый раствор внедрения C в γ-железе с гранецентрированной кубической решёткой)
  3. Цементит (карбид железа; Fe3C метастабильная высокоуглеродистая фаза)
  4. Графит стабильная высокоуглеродистая фаза
Структуры железоуглеродистых сплавов
  1. Ледебурит (эвтектическая смесь кристаллов цементита и аустенита, превращающегося при охлаждении в перлит)
  2. Мартенсит (сильно пересыщенный твёрдый раствор углерода в α-железе с объёмно-центрированной тетрагональной решёткой)
  3. Перлит (эвтектоидная смесь, состоящая из тонких чередующихся пластинок феррита и цементита)
  4. Сорбит (дисперсный перлит)
  5. Троостит (высокодисперсный перлит)
  6. Бейнит (устар.: игольчатый троостит) — ультрадисперсная смесь кристаллов низкоуглеродистого мартенсита и карбидов железа
Стали
  1. Конструкционная сталь (до 0,8 % C)
  2. Высокоуглеродистая сталь (до ~2 % C): инструментальная, штамповая, пружинная, быстрорежущая
  3. Нержавеющая сталь (легированная хромом)
  4. Жаростойкая сталь
  5. Жаропрочная сталь
  6. Высокопрочная сталь
Чугуны
  1. Белый чугун (хрупкий, содержит ледебурит и не содержит графит)
  2. Серый чугун (графит в форме пластин)
  3. Ковкий чугун (графит в хлопьях)
  4. Высокопрочный чугун (графит в форме сфероидов)
  5. Половинчатый чугун (содержит и графит, и ледебурит)

Выплавляется чугун, как правило, в доменных печах. Температура плавления чугуна — от 1150 до 1200 °C, то есть примерно на 300 °C ниже, чем у чистого железа.

ЭтимологияПравить

Русское слово «чугун» считается прямым заимствованием из тюркских языков[1]. Происхождение тюркского термина связывают с кит. трад. , пиньинь zhù, палл. чжу, буквально: «лить; отливать (металл)» и кит. трад. , пиньинь gōng, палл. гун, буквально: «дело»[2]. В финском языке чугун обозначается словом Valurauta, которое имеет два корня и переводится как литое железо (rauta).

ИсторияПравить

В начале I тысячелетия до н. э. технология выплавки чугуна в тиглях была освоена в Китае и прилегающих Дальневосточных территориях. Шихта состояла из кричного железа и древесного угля, плавка производилась в течение нескольких суток при температуре выше 1200 °С. Позднее китайскими металлургами была изобретена специальная печь для выплавки чугуна из железной руды или кричного железа, получившая название «китайская» вагранка. Печь по сути представляла собой сыродутный горн высотой около 1 м, оборудованный дутьевым ящиком, обеспечивавшим приток воздуха в печь. В V—III веках до н. э. в Китае было освоено производство сложных отливок из чугуна. Этот период принято считать началом художественного чугунного литья[3][4].

В X веке в Китае появляются чугунные монеты, однако в широком применении вплоть до XIX века оставались бронзовые монеты[5]. В XI веке был возведен чугунный шпиль пагоды Линсяо. XIV веком датируют находки чугунных котлов Золотой Орды (Тульская область)[6], однако на территории Монголии (Каракорум) монголы умели изготовлять чугунные котлы ещё в XIII веке[7]. В 1403 году в Китае (Пекин) был отлит чугунный колокол[8].

Появление чугуна в Европе относят к XIV веку, когда начались первые плавки в штюкофенах с получением жидкого чугуна. В России первый чугун был выплавлен в XVI веке[9][10]. Наиболее активно первые домницы строились во 2-й половине XV века в Италии, Нидерландах и Бельгии. Немецкие металлурги длительное время продолжали плавить металл в блауофенах[1].

В XIV—XV веках в Европе, с XVI века — в России появились первые цельнолитые чугунные пушки и ядра[11][12][13]. Первооткрывателем этой технологии считается мастер-литейщик Питер Боуде из деревни Бакстед[en] работавший в литейной мастерской Генриха VIII[14].

В 1701 году Каменский чугунолитейный завод на Урале (Россия) производит первую партию чугуна (262 кг). На Урале чугунное литье превратилось в народный промысел. В XVIII веке в Англии появился первый чугунный мост. В России чугунный мост появился лишь в начале XIX века. Это стало возможным благодаря технологии Вилкинсона. В том же веке из чугуна начали изготавливать рельсы[15]. Помимо промышленного использования чугун продолжал использоваться и в быту. В XVIII веке появились чугунки, которые широко стали использоваться в русской печи[16].

В начале XVIII века в Западной Европе обострилась проблема истощения лесов, использовавшихся для получения древесного угля. Начались поиски альтернативных видов топлива для доменных печей. Первые опыты по применению подготовленного каменного угля и торфа в доменной плавке производились в Англии и Германии ещё в первой половине XVII века. В начале XVIII века в Англии была освоена технология коксования каменного угля. В 1735 году в Англии впервые был выплавлен чугун с использованием только каменноугольного кокса. В дальнейшем коксовая металлургия распространилась по всему миру[10][17]. К 1850 году 70 % всех существовавших в мире доменных печей работали на коксе, а к 1900 году — 95 %[18][19].

К концу XVIII века Россия занимала первое место по производству чугуна и выдавала 9908 тыс. пудов чугуна, в то время как Англия — 9516 тыс. пудов, дальше шли Франция, Швеция, США[20].

В начале XIX века был освоено производство ковкого чугуна. Во 2-й четверти XX века начали применять легирование чугуна[9].

В 1806 году Великобритания выплавляла 250 тыс. тонн чугуна, занимая 1-е место в мире по его производству, а к середине XIX века в Великобритании была сосредоточена половина мирового чугунного производства. Однако в 1890 году 1-е место по производству чугуна заняли США[21]. Технология бессмеровского процесса (1856) и мартеновской печи (1864) впервые позволила получать сталь из чугуна. В XIX веке чугун широко используется для изготовления викторианских каминов[22], а также декоративных элементов (например, чугунная решетка памятника Александра II, 1890). Благодаря изготовлению малой скульптуры и ажурных изделий из чугуна широкую известность получили Кусинский и Каслинский заводы.

Развитие способов формовки для литья сложных художественных отливок на заводе в посёлке Касли привело к созданию способа изготовления стержневых форм, который применяют и в настоящее время, особенно в станкостроении[23]. Также в XIX веке из чугуна изготавливались водопроводные и канализационные 12-дюймовые трубы Лондона[24].

КлассификацияПравить

 
Микроструктура белого чугуна
 
Микроструктура белого чугуна при 100-кратном увеличении

По цели использования получаемый чугун делится на

  • передельный (используется для дальнейшего передела в сталь) и
  • литейный (используется для дальнейшего изготовления отливок)[9].

В зависимости от содержания углерода чугуны делятся на

  • доэвтектические (2,14—4,3 % углерода),
  • эвтектические (4,3 %),
  • заэвтектические (4,3—6,67 %).

В зависимости от состояния и содержания углерода в чугуне, обусловливающего вид излома, различают

  • белые (весь углерод находится в виде цементита, излом светлый, применяются в основном для изготовления ковких чугунов, которые получают путём отжига),
  • серые (чугуны с содержанием кремния 1,2—3,5 % и примесей Mn, P, S, большая часть или весь углерод находится в виде графита пластинчатой формы, излом имеет серый цвет),
  • половинчатые (отбелённые) чугуны[9][25].

В зависимости от формы графитовых включений выделяют чугуны

  • с пластинчатым графитом (как правило, не подвергается легированию[26]),
  • с шаровидным графитом (высокопрочные),
  • с вермикулярным графитом,
  • с хлопьевидным графитом[9][27].

В зависимости от состава и структуры металлической основы выделяют

  • перлитные,
  • ферритные,
  • перлитно-ферритные,
  • аустенитные,
  • бейнитные и
  • мартенситные чугуны[9].

По назначению чугуны делятся на

  • конструкционные и
  • специальные[9].

По химическому составу чугуны делятся на

  • легированные и
  • нелегированные[9].

МаркировкаПравить

В промышленности разновидности чугуна маркируются следующим образом:

  • передельный чугун — П1, П2;
  • передельный чугун для отливок (передельно-литейный) — ПЛ1, ПЛ2;
  • передельный фосфористый чугун — ПФ1, ПФ2, ПФ3;
  • передельный высококачественный чугун — ПВК1, ПВК2, ПВК3;
  • чугун с пластинчатым графитом — СЧ (цифры после букв «СЧ», обозначают величину временного сопротивления разрыву в кгс/мм).

Антифрикционный чугун:

  • антифрикционный серый — АЧС;
  • антифрикционный высокопрочный — АЧВ;
  • антифрикционный ковкий — АЧК;
  • чугун с шаровидным графитом для отливок — ВЧ (цифры после букв «ВЧ» означают временное сопротивление разрыву в кгс/мм и относительное удлинение (%);
  • чугун легированный со специальными свойствами — Ч.

Ковкий чугун маркируется двумя буквами и двумя числами, например КЧ 37-12. Буквы КЧ означают ковкий чугун, первое число — предел прочности на разрыв (в десятках мегапаскалей), второе число — относительное удлинение (в процентах), характеризующее пластичность чугуна.

Объёмы производстваПравить

 
Чугун, отлитый в виде чушек

В 1892 году Германия производила 4,9 миллиона тонн чугуна, против 6,8 в Англии, а в 1912 году уже 17,6 против 9,0[28]

Мировое производство чугуна в 2009 году составило 898,261 млн тонн, что на 3,2 % ниже, чем в 2008 году (927,123 млн т)[29]. Первая десятка стран-производителей чугуна выглядела следующим образом:

Место
в 2009 году
Страна Производство чугуна,
млн тонн
1 Китай 543,748
2 Япония 66,943
3 Россия 43,945
4 Индия 29,646
5 Южная Корея 27,278
6 Украина 25,676
7 Бразилия 25,267
8 Германия 20,154
9 США 18,936
10 Франция 8,105

За четыре месяца 2010 года мировой выпуск чугуна составил 346,15 млн тонн. Этот результат на 28,51 % больше по сравнению с аналогичным периодом 2009 года.[30]

ГалереяПравить

В культуре и искусствеПравить

ПримечанияПравить

  1. 1 2 Вегман и др., 2004, с. 41.
  2. Начало чугунолитейного производства
  3. Карабасов и др., 2012, с. 54.
  4. Вегман и др., 2004, с. 39.
  5. Китайские монеты
  6. Археологи нашли на Куликовом поле золотоордынский котел 14 века
  7. Терехова Н. Н. Технология чугунолитейного производства у древних монголов
  8. Из чего отливают колокола
  9. 1 2 3 4 5 6 7 8 Чугун / Мильман Б. С., Ковалевич Е. В., Соленков В. Т. // Чаган — Экс-ле-Бен. — М. : Советская энциклопедия, 1978. — С. 248—249. — (Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров ; 1969—1978, т. 29).
  10. 1 2 Коротич, 2000, с. 178.
  11. История огнестрельного оружия с древнейших времён до 20 века
  12. Артиллерийское орудие (история изобретения)
  13. Про царскую артиллерию и литьё пушек
  14. Вегман и др., 2004, с. 40.
  15. История паровоза
  16. Чугунок для русской печи
  17. Вегман и др., 2004, с. 51—52.
  18. Вегман и др., 2004, с. 53.
  19. Карабасов и др., 2011, с. 138—140, 144—153.
  20. Л. Г. Бескровный. Армия и флот в XVIII веке.. — М.: Военное издательство Министерства обороны Союза ССР, 1958. — С. 361. — 662 с.
  21. Доменная революция
  22. Викторианский и георгианский стиль и каминное оформление (недоступная ссылка). Дата обращения: 15 октября 2017. Архивировано 15 октября 2017 года.
  23. А. Н. Граблёв. Машины и технология литейного производства. — М.: МГИУ, 2010. — С. 14. — 228 с. — ISBN 978-5-2760-1857-7.
  24. Подземный Лондон: Водопровод и канализация
  25. Циммерман, Гюнтер, 1982, с. 245, 253.
  26. Циммерман, Гюнтер, 1982, с. 246.
  27. Циммерман, Гюнтер, 1982, с. 245.
  28. Ленин. Империализм, как высшая стадия капитализма, гл. 7.
  29. Мировое производство чугуна за 2009 год снизилось на 3,2 % (недоступная ссылка)
  30. В мире растет производство чугуна.

ЛитератураПравить

  • Карабасов Ю. С., Черноусов П. И., Коротченко Н. А., Голубев О. В. Металлургия и время: Энциклопедия. — М.: Издательский Дом МИСиС, 2011. — Т. 2. Фундамент индустриальной цивилизации. Возрождение и Новое время. — 216 с. — 1000 экз. — ISBN 978-5-87623-537-4.
  • Карабасов Ю. С., Черноусов П. И., Коротченко Н. А., Голубев О. В. Металлургия и время: Энциклопедия. — М.: Издательский Дом МИСиС, 2012. — Т. 4. Русский вклад. — 232 с. — 1000 экз. — ISBN 978-5-87623-539-8.
  • Ю. М. Лахтин, В. П. Леонтьева. Материаловедение. — М.: Машиностроение, 1990. — 528 с.
  • Вегман Е. Ф., Жеребин Б. Н., Похвиснев А. Н. и др. Металлургия чугуна: Учебник для вузов / под ред. Ю. С. Юсфина. — З-е издание, переработанное и дополненное. — М.: ИКЦ «Академкнига», 2004. — 774 с. — 2000 экз. — ISBN 5-94628-120-8.
  • Physics and chemistry of solid state, № 4, 2014, vol. 15.
  • Коротич В. И., Набойченко С. С., Сотников А. И., Грачев С. В., Фурман Е. Л., Ляшков В. Б. Начала металлургии: Учебник для вузов / под ред. В. И. Коротича. — Екатеринбург: УГТУ, 2000. — 392 с. — ISBN 5-230-06611-3.
  • Циммерман Р., Гюнтер К. Металлургия и материаловедение: Справочное издание = Metallurgie und Werkstofftechnil: ein Wissensspeicher / Пер. с нем. Б. И. Левина и Г. М. Ашмарина под ред. П. И. Полухина, М. Л. Бернштейна. — М.: Металлургия, 1982. — 480 с. — 16 000 экз.