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. Плотность чугуна - 7.874 г/см3

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 1147 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]:

ČOƔ [чог] блеск, сияние; пламя, жар[2]; крица[3] → ČOƔÏN, ČOΔÏN [чогун, чодун] медь[2][4], чугун[3]

Заимствование тюркского термина напрямую связано с массовым производством железа, чугуна и стали в городах Волжской Булгарии, Болгаре и Джукетау, в 14-15 веках.[1]

Происхождение тюркского термина также связывают с кит. трад. , пиньинь zhù, палл. чжу, буквально: «лить; отливать (металл)» и кит. трад. , пиньинь gōng, палл. гун, буквально: «дело»[5]. Однако при этом не указывается путь проникновения китайского термина в русский язык. Кроме того, не учитываются такие фонетические процессы в китайском языке, как сдвиг инициалей и сдвиг гласных. Иными словами, современное произношение китайский термин 鑄工 принял совсем недавно, не ранее 17 века.

В финском языке чугун обозначается словом Valurauta, которое имеет два корня и переводится как литое железо (rauta); аналогично и в английском языке (cast iron).

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[6][7].

В начале I века[8] в Китае появляются чугунные монеты, однако в широком применении вплоть до XIX века оставались бронзовые монеты[9]. В XI веке был возведен чугунный шпиль пагоды Линсяо. XIV веком датируют находки чугунных котлов Золотой Орды (Тульская область)[10], однако на территории Монголии (Каракорум) монголы умели изготовлять чугунные котлы ещё в XIII веке[11]. В 1403 году в Китае (Пекин) был отлит чугунный колокол[12].

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[13][14]. 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[15][16][17]. Первооткрывателем этой технологии считается мастер-литейщик Питер Боуде из деревни Бакстед[en] работавший в литейной мастерской Генриха VIII[18].

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[19]. Помимо промышленного использования чугун продолжал использоваться и в быту. В XVIII веке появились чугунки, которые широко стали использоваться в русской печи[20].

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[14][21]. К 1850 году 70 % всех существовавших в мире доменных печей работали на коксе, а к 1900 году — 95 %[22][23].

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[24].

В начале XIX века был освоено производство ковкого чугуна. Во 2-й четверти XX века начали применять легирование чугуна[13].

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[25]. Технология бессмеровского процесса (1856) и мартеновской печи (1864) впервые позволила получать сталь из чугуна. В XIX веке чугун широко используется для изготовления викторианских каминов[26], 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[27]. Также в XIX веке из чугуна изготавливались водопроводные и канализационные 12-дюймовые трубы Лондона[28].

Чугун используется в качестве растворителя углерода для производства термостойких монокристаллических синтетических алмазов.

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)[13].

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[13][29].

В зависимости от формы графитовых включений выделяют чугуны

  • с пластинчатым графитом (как правило, не подвергается легированию[30]),
  • с шаровидным графитом (высокопрочные),
  • с вермикулярным графитом,
  • с хлопьевидным графитом[13][31].

В зависимости от состава и структуры металлической основы выделяют

  • перлитные,
  • ферритные,
  • перлитно-ферритные,
  • аустенитные,
  • бейнитные и
  • мартенситные чугуны[13].

По назначению чугуны делятся на

  • конструкционные и
  • специальные[13].

По химическому составу чугуны делятся на

  • легированные и
  • нелегированные[13].

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 (%);
  • жаропрочный и жаростойкий чугун — Ч.[32]

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
Выпуск чугуна из доменной печи

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[33]

Мировое производство чугуна в 2009 году составило 898,261 млн тонн, что на 3,2 % ниже, чем в 2008 году (927,123 млн т)[34]. 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.[35]

ГалереяПравить

В культуре и искусствеПравить

ПримечанияПравить

  1. 1 2 Вегман и др., 2004, с. 41.
  2. 1 2 ДРЕВНЕТЮРКСКИЙ СЛОВАРЬ, Издание второе, пересмотренное / Под редакцией Д.М. Насилова, И.В. Кормушина, А.В. Дыбо, У.К. Исабековой. — Астана: «Ғылым» баспасы, 2016. — С. 162.
  3. 1 2 Р. Г. АХМЕТЬЯНОВ. ЭТИМОЛОГИЧЕСКИЙ СЛОВАРЬ ТАТАРСКОГО ЯЗЫКА, II том. — КАЗАНЬ: МАГАРИФ — ВАКЫТ, 2015. — С. 451.
  4. Махмуд ал-Кашгари. Диван лугат ат-турк (словарь Махмуда ал-Кашгари). — 1074. — С. 206-9.
  5. Начало чугунолитейного производства
  6. Карабасов и др., 2012, с. 54.
  7. Вегман и др., 2004, с. 39.
  8. Numismatic Legacy of Wang Mang, AD9-23 by Henz Hratzer, A.M.Fishman, 2017. 中国古钱大集 华光普 着 甲册 2008年版. 五銖圖考 杜维善 着 下册 2009年版
  9. Китайские монеты
  10. Археологи нашли на Куликовом поле золотоордынский котел 14 века
  11. Терехова Н. Н. Технология чугунолитейного производства у древних монголов
  12. Из чего отливают колокола
  13. 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).
  14. 1 2 Коротич, 2000, с. 178.
  15. История огнестрельного оружия с древнейших времён до 20 века
  16. Артиллерийское орудие (история изобретения)
  17. Про царскую артиллерию и литьё пушек
  18. Вегман и др., 2004, с. 40.
  19. История паровоза
  20. Чугунок для русской печи
  21. Вегман и др., 2004, с. 51—52.
  22. Вегман и др., 2004, с. 53.
  23. Карабасов и др., 2011, с. 138—140, 144—153.
  24. Л. Г. Бескровный. Армия и флот в XVIII веке.. — М.: Военное издательство Министерства обороны Союза ССР, 1958. — С. 361. — 662 с.
  25. Доменная революция
  26. Викторианский и георгианский стиль и каминное оформление (недоступная ссылка). Дата обращения: 15 октября 2017. Архивировано 15 октября 2017 года.
  27. А. Н. Граблёв. Машины и технология литейного производства. — М.: МГИУ, 2010. — С. 14. — 228 с. — ISBN 978-5-2760-1857-7.
  28. Подземный Лондон: Водопровод и канализация
  29. Циммерман, Гюнтер, 1982, с. 245, 253.
  30. Циммерман, Гюнтер, 1982, с. 246.
  31. Циммерман, Гюнтер, 1982, с. 245.
  32. Modecut.net. www.modecut.net. Дата обращения: 23 августа 2022.
  33. Ленин. Империализм, как высшая стадия капитализма, гл. 7.
  34. Мировое производство чугуна за 2009 год снизилось на 3,2 % (недоступная ссылка)
  35. В мире растет производство чугуна.

[1]

ЛитератураПравить

  1. Правила использования чугунной посуды. www.1001kazan.ru. Дата обращения: 1 августа 2022.