Черные металлы. Железо. Чугун. Сталь

Чугуном называется сплав железа с углеродом. Обычно это 3 – 4 процента. Используют в данном сплаве некоторое количество марганца (2,5 – 4,5 процента), кремния (до 4,5 процента), серы (около 0,08 процента), фосфора (до 1,8 процента), и некоторых других элементов.

Чугун – первичный продукт переработки железных руд путем их плавки в доменных печах.

По мнению специалистов впервые чугун стали получать на Востоке. В 13 веке его стали выплавлять в Европе, а в России первые доменные печи были построены под Тулой в 17 веке.

При современном доменном процессе получают чугун белый, серый и ковкий, высокопрочный.

Углерод в чугуне может находится в химически связанном состоянии в виде цементита или в структурно свободном состоянии в виде графита.

Если в чугуне содержится 3,0 – 4,5 процента углерода, то повышается его твердость и прочность, но уменьшается пластичность и снижается температура плавления.

При повышении содержания кремния от 0,3 до 2,5 процентов улучшаются литейные свойства чугуна.

Присутствие 0,5 – 0,6 процента марганца способствует образованию карбида железа, повышению твердости и прочности чугуна.

Примесь 0,08 – 2,2 процента фосфора делает его жидкотекучим, твердым и хрупким, а вредная примесь 0,03 – 0,12 процента серы ухудшает жидкотекучесть чугуна, при повышении температуры он становится очень хрупким.

В белом чугуне большая часть углерода химически соединена с железом в виде цементита. Цементит имеет белый цвет, очень твердый и хрупкий.

Белый чугун в изломе также светло-серого, почти белого цвета, твердый, не поддается механической обработке и сварке. Используется для получения ковкого чугуна.

В сером чугуне большая часть углерода находится в свободном состоянии в виде графита. Он мягок, хорошо обрабатывается, обладает отличными литейными качествами, в изломе темно-серого цвета. После отделки его цвет колеблется от теплого темно-серого до черного с коричневатым оттенком. Он одинаково красив на матовой, и на глянцевой блестящей поверхности.

Чугун обладает лучшими антикоррозийными качествами по сравнению со сталью и является более долговечным материалом.

Важной особенностью антикоррозийных свойств чугуна является их способность возрастать во времени.

Наиболее прочно литье из серого чугуна работает на сжатие, примерно в два раза слабее на изгиб и в три-четыре раза хуже на растяжение. Эти свойства чугуна необходимо учитывать при проектировании различных художественных изделий, предназначенных под отливку. Чугун широко применяется как материал для прикладного искусства. Из него отливают вазы, скульптуры, парковые декоративные фигуры, садовые ограды, ворота, надгробные плиты, решетки, ворота, садовую мебель.

Высокая прочность на истирание и долговечность определяют применение чугуна для изготовления плит для полов, ступеней и ограждений лестниц и др.

Высокие литейные свойства позволяют отливать из него тончайшие ажурные предметы с красивым темно-коричневым цветом.

Чугун является прекрасным материалом для производства всевозможных мелких бытовых предметов: различных настольных фигур, шкатулок, дверных ручек и т.п.

Наиболее древними образцами художественного литья из чугуна, относящихся к 16 и 17 векам, являются орнаментальные плиты полов в древних соборах, двери и надгробные плиты. При Петре 1 появляются чугунолитейные заводы на Урале.

В 18 веке в Петербурге был построен Александровский завод, оборудованный новыми доменными и иными печами. На нем изготовляют разнообразные художественные изделия, такие как колонны, решетки, статуи, вазы и др. На этом заводе были отлиты чугунные ворота дома Демидовых в Москве и иные изделия.

Известные русские архитекторы и скульпторы применяли чугунное литье при воплощении своих художественных замыслов.

Так по проекту архитектора А.Н. Воронихина была отлита исключительная по своей композиции и красоте чугунная решетка у Казанского собора, замечательные чугунные ограды Петербурга и др.

Ковкий чугун вырабатывается из белого и является его разновидностью. Получают его путем термической обработки – длительной выдержки при температуре 800 – 850˚С. При этом углерод в чугуне выделяется в виде хлопьев свободного углерода, которые располагаются между кристаллами чистого железа.

По своим механическим свойствам ковкий чугун занимает среднее место между чугуном и сталью. Он более вязкий, подвергается правке и чеканке, но не куется.

Применяется при отливке мелких художественных изделий сложной формы, требующих тщательной отделки, которая осуществляется чеканкой.

Из серого чугуна путем специальной обработки – введения в жидкий чугун при температуре не ниже 1673 К чистого магния или его сплавов, получают высокопрочный чугун.

Высокопрочный чугун обладает хорошими литейными качествами, подвергается почти всем видам термической обработки, приближаясь по свойствам к углеродистым сталям, хорошо обрабатывается резанием.

Применяется в машиностроении при замене стальных и кованых изделий.

По химическому составу чугун подразделяется на нелегированный, малолегированный, среднелегированный и высоколегированный.