Металлы и человек

Металлурги давно пытаются повысить прочность чугуна. Если чугунную отливку охлаждать сравнительно быстро, ее металл приобретет в целом мелкокристаллическую структуру и будет матово-белого цвета, Такой чугун так и называют — белым. Весь углерод в этом чугуне находится в виде цементита— химического соединения железа с углеродом.

Цементит очень тверд, и белый чугун не поддается обработке самыми лучшими стальными резцами. Его нельзя и ковать — он хрупок и от удара молотом раскалывается. Очень мало практических применений имеет белый чугун. Он идет только на переплавку в сталь и передел в другие виды чугуна.

При медленном остывании в чугуне выделяется чистый графит. Обычно он имеет форму тонких лепестков, внедрившихся между кристаллами металла. Структура этих кристаллов такова же, как и у сталей. Следовательно, главное отличие серого чугуна от сталей состоит в наличии чистого графита.

Такой графит — скверный союзник металлу. Он очень непрочен, непластичен. Поэтому серый чугун можно представить себе как сталь, пронизанную огромным количеством трещин, заполненных графитом. Эти трещины и являются главной причиной непрочности чугуна.

Значит, надо сделать, чтобы эти трещины имели как можно меньшие поверхности. Раз уж надо найти в металле место для размещения излишнего оказавшегося здесь углерода, пусть камеры для него имеют минимальную поверхность, то есть будут шарообразными. В этом случае наличие графита будет меньше всего снижать прочность металла.

Чтобы получить именно такую структуру графитовых включений, в металл вводят магний или церий. Совсем немного магния — всего около 0,1 процента — может раствориться в чугуне, но влияние и этой крохотной добавки колоссально. Включения графита приобретают шарообразную форму.

Добавляют в чугун с целью улучшить его качество и другие присадки— кальций, кремний, алюминий и т. д. Застывая, чугун с такими присадками образует равномерную структуру с весьма размельченным графитом.

Этот процесс облагораживания чугуна добавкой примесей, способствующих измельчению графитовых включений и их формированию в шарики, называется модификацией, а сам чугун — модифицированным.

На какие только ухищрения не идут металлурги, чтобы повысить качество чугуна!

Из белого чугуна (причем стараются, чтобы в нем совсем не было выделившегося графита, то есть, чтобы он был совсем «белым») металлурги научились получать ковкий чугун.

Нет, конечно, ковать ковкий чугун нельзя. От ударов молота он просто расколется. Да и что от него ожидать — ведь он все-таки остается чугуном! Но его прочностные свойства приближаются к свойствам некоторых сталей.

Итак, отливку из белого чугуна кладут в ящик, засыпают песком и ящик помещают в печь. В течение 20–25 часов — целые сутки напролет— металлурги нагревают печь до температуры в 950—1000 градусов. Затем эту температуру выдерживают в печи более полусуток — 15 часов. Несколько часов длится и охлаждение отливок до температуры в 700 градусов. И еще больше суток остается отливка в печи с такой температурой. 70–80 часов длится весь процесс отпуска белого чугуна, процесс превращения белого чугуна в ковкий. А иногда он растягивается и на 140–170 часов.

Опытные кулинары.

Впрочем, есть тенденции и к сокращению его до 30 часов и меньше.

В процессе отпуска происходит разложение цементита и выделение графита в форме хлопьев, имеющих лишь несколько большую поверхность, чем шарообразные включения модифицированного чугуна. И соответственно оказывается несколько меньшей прочность ковкого чугуна по сравнению с модифицированным. Усилия металлургов не пропадают даром.

Изделия из чугуна нередко соперничают со сталью. Да, из чугуна отливают трубы, и не только те, от которых не требуется прочности, но и работающие под давлением. Да, из чугуна делают поршневые кольца, используют его хорошие антифрикционные свойства. Но то, что из лучших сортов чугуна ухитряются делать даже коленчатые валы двигателей внутреннего сгорания, вас, наверное, удивит.

А вот прокатывать чугун еще не научились.

Все, конечно, помнят прекрасное стихотворение Н. А. Некрасова о железной дороге. В начале его есть строчки:

Быстро лечу я по рельсам чугунным,
Думаю думу свою…

Нет, поэт ошибся, железнодорожные рельсы не делают из чугуна. Чугунные литые рельсы, хрупкие, непрочные, применялись только на самой заре развития железнодорожного транспорта. Уже в 1820 году они были вытеснены в Англии прокатанными стальными. Да и в России в 1839 году начали катать стальные рельсы. И именно они легли на шпалы железной дороги, соединившей в 1851 году Москву и Петербург, дороги, вдохновившей поэта на один из шедевров русской поэзии.

Кроме углерода, в чугуне всегда есть и другие примеси, оказывающие влияние на его свойства.

Прежде всего среди этих веществ надо отметить кремний. Наличие этого элемента способствует выделению графита. Чем больше кремния, тем легче получается при застывании расплава серый чугун.

Марганец оказывает обратное действие. Говорят, что он способствует отбеливанию чугуна.