Сколько углерода в чугуне?

4 ноября 2021

Чугун вошел в нашу жизнь много столетий тому назад и остается популярным и по сей день. Он нашел широкое применение во многих областях. Однако чтобы разобраться, что такое чугун, важно знать его свойства и химический состав, структуру и особенности его сплавов, достоинства и недостатки этого материала, а также его производство и сферы применения.

Углерод в химическом составе чугуна

Чугун — это сплав железа и углерода, в котором процентное содержание углерода составляет не менее 2,14%, но не более 4,5%. Углерод входит в состав чугуна в форме цементита либо графита. Если процент содержания углерода составляет меньше 2,14%, такой сплав именуется сталью.

Известно, что чугунный сплав впервые был произведен в Китае в VI веке. В Европу секрет его производства пришел в XIV веке, а в России его состав был доведен до совершенства лишь в XVII. За все это долгое время формула чугуна не изменилась.

Самый качественный материал производился на литейном заводе братьев Демидовых, расположенном на Урале.

По прошествии веков он не только не утратил своей актуальности, но и приобрел еще более обширный спектр применения.

Влияние углерода на свойства чугуна

Наличие углерода влияет на свойства сплава. Хрупкие чугуны могут иметь повышенную по сравнению со сталью твердость. Их в отличие от стали трудно сваривать или ковать, а к некоторым разновидностям эти технологические процессы, вообще, не применимы. Железо, входящее в железоуглеродистый сплав, определяет главные его свойства. Прежде всего температуру плавления выше 1530°С. А также этот элемент придает сплаву магнитные свойства. В чистом виде металл довольно прочен и пластичен. Но его химическая активность в отношении кислорода препятствует использованию в технике (металл быстро ржавеет, вступая в реакцию окисления).

Включение в сплавы углерода и иных примесей значительно повышает долговечность изделий. Часть углерода вступает в химическую реакцию с железом еще на стадии плавления, образуя стойкое соединение – цементит (Fe3C). Включения цементита снижают пластичность, одновременно повышая прочность и твердость образующегося сплава.

Особенно велика прочность стали с содержанием углерода около 1%. Когда соединения в сплаве становится больше, эта характеристика постепенно снижается, однако одновременно снижается ударная вязкость и так называемая хладоломкость (реакция на перепады температуры).

Углерод может содержаться и в химически свободном состоянии (графит). Наличие включений графита повышает ломкость, но при этом создает зернистость, препятствующую механическому разрушению поверхности. Графит может играть роль смазки, снижая сопротивление при трении. Включения графита также снижают воздействие вибраций. Углерод в чистом виде и в виде соединений может снизить температуру плавления (в некоторых чугунах почти на 400°С).

Таким образом, сплавы железа и углерода (стали и чугуны) благодаря различным соотношениям элементов и их химической формы могут существенно различаться в своих свойствах.

Виды чугуна по содержанию углерода

По тому, сколько в сплаве содержится углерода, чугуны разделяют на три вида. Начнем с того, что в любом подобном сплаве процент углерода не может быть ниже 2,14%. Так как если количество элемента меньше этого процентного значения, надо говорить уже о стали. В большинстве видов чугуна содержание углерода составляет от 2,14 до 3%. Отдельные разновидности могут содержать свыше 3% углерода. Максимально чугун может включать 6,67% углерода, такой сплав называют высокоуглеродистый.

При этом сплавы различного состава по-разному проходят этапы кристаллизации при охлаждении, это существенно отражается на свойствах получаемого чугуна. В результате в сплаве образуется перлит – эквивалентная смесь феррита (раствора легирующих элементов и углерода в расплаве железа) и цементита (карбида железа), ледебурит (эквивалентная смесь все того же цементита и иных компонентов сплава). В металлургии принято по этому признаку разделять чугуны на три вида в соответствии с эвтектикой сплава.

Доэвтектические виды чугуна

В доэвтектических чугунах содержание углерода от 2,14 до 4,3% в составе цементита, перлита и ледебурита. Такой сплав нередко используется в качестве конструкционного материала, а также на передел – получение иных видов чугуна, так как при его охлаждении образуется так называемая усадочная пористость, серьезно влияющая на прочность изделий. Изделия получили распространение в машиностроении.

Эвтектические виды чугуна

В эвтектических чугунах содержится около 4,3% углерода, преимущественно в виде ледебурита. При охлаждении может давать усадочные раковины, что часто приводит к формированию отличий от заданной при отливке формы, поэтому изготовление точных изделий из такого материала не всегда оправданно. Применяется как конструкционный материал для изготовления изделий разнообразного назначения.

Заэвтектические виды чугуна

Заэвтектические виды чугуна могут содержать до 6,67% углерода в составе цементита и ледебурита и свободного графита. В основном используются для производства других видов чугуна и стали при передельной металлургии.

Типы чугуна по состоянию углерода

Поскольку состояние углерода в расплаве при различных условиях охлаждения и в присутствии иных веществ в составе сплава меняется, свойства чугуна также могут значительно отличаться. Это видно невооруженным глазом по цвету свежего, не покрытого ржавчиной излома. Как правило, более темные (серые чугуны) содержат наибольшее количество свободного углерода в виде различной формы включений графита.

Содержание химически связанного углерода отражается на цвете сплава, он заметно светлее, такой чугун называют белым. В перлитном чугуне может быть равное количество связанного и свободного углерода, это также отражается на цвете изделий. Уже на протяжении нескольких столетий существует упрощенная классификация чугунов по цвету, разделяющая чугуны на три типа: белый, серый и половинчатый.

Белый чугун

Белый чугун имеет наиболее светлый излом. Наибольшее количество углерода в нем связано с железом и иными металлами. Образуется такой сплав при быстром охлаждении. Использование этого типа сплава ограничено, ввиду невысокой прочности.

Как правило, белый чугун поступает в передел для изготовления других типов чугуна и стали.

Серый чугун

При более медленном охлаждении в расплаве проходит значительно больше процессов. Углерод частично связывается с металлами, но значительная его часть кристаллизуется в чистом виде, образуя включения графита. Размер и форма этих включений зависят от скорости остывания расплава, а также от наличия в нем различных примесей. Так получают чугуны, изделия из которых востребованы в различных отраслях хозяйства и в быту. Среди разновидностей этого типа различают ковкий и высокопрочный чугун.

Половинчатый чугун

При особых условиях охлаждения получают сплавы, в которых связанного и свободного углерода примерно поровну. Из него изготавливают детали машин, основным требованием к которым является износоустойчивость при трении: коленчатые валы, колесные пары и многое другое. Графит в этом случае играет роль смазки.

Особенности чугуна

Главная особенность чугуна скрыта в процессе его изготовления. Дело в том, что у разных видов этого сплава температура плавления достигает 1200ºС, в то время как у стали она составляет 1500 ºС. На этот фактор влияет слишком высокое содержание углерода. Атомы железа и углерода между собой имеют не очень тесные связи.

Когда происходит выплавка, атомы углерода не могут целиком внедриться в молекулярную решетку железа, из-за чего чугунный сплав приобретает хрупкость. В связи с этим его не используют в производстве деталей, которые будут постоянно подвергаться нагрузке.

Этот материал относится к отрасли черной металлургии и по своим характеристикам схож со сталью. Изделия из чугуна и стали нашли широкое применение в повседневной жизни, и оно является целиком оправданным.

Если сравнивать характеристики этих металлов, можно сделать следующие заключения:

  1. Стоимость стальных изделий выше стоимости чугунных.
  2. Различия в цвете: чугун темный и матовый, а сталь — светлая и блестящая.
  3. Сталь хуже поддается литью, но, в отличие от чугуна, легче поддается ковке и сварке.
  4. Сталь обладает большей прочностью, нежели чугунный сплав.
  5. Сталь тяжелее по весу.
  6. В ней содержание углерода ниже, чем в чугуне.

Характерные черты и свойства чугуна

Чугун обладает такими свойствами:

  1. Физические свойства: удельный вес, действительная усадка, коэффициент линейного расширения. Например, содержание углерода в чугуне напрямую влияет на его удельный вес.
  2. Тепловые свойства. Теплопроводность обычно рассчитывают по правилу смещения. Для твердого состояния металла объемная теплоемкость составляет 1 кал/см3*оС. Если металл находится в жидком состоянии, то она примерно равна 1,5 кал/см3*оС.
  3. Механические свойства. Примечательно, что на эти свойства влияет как сама основа, так и форма и размеры графита. Серый чугун с перлитной основой является наиболее прочным, а с ферритной — самым пластичным. Пластинчатая форма графита характеризуется максимальным снижением прочности, в то время как у шаровидной формы это снижение минимально.
  4. Гидродинамические свойства. Наличие в составе марганца и серы влияет на вязкость материала. Также она имеет свойство увеличиваться, когда температура сплава переходит точку начала затвердевания.
  5. Технологические свойства. Этому металлу характерны отличные литейные качества, а также стойкость к износу и вибрации.
  6. Химические свойства. По мере убывания электродного потенциала структурные составляющие сплава располагаются в следующем порядке: цементит — фосфидная эвтектика — феррит.

На свойства сплава также оказывают влияние специальные примеси:

  • Добавление серы значительно уменьшает текучесть и снижает тугоплавкость.
  • Фосфор позволяет изготовить изделия разнообразной формы, но при этом уменьшает его прочность.
  • Добавление кремния уменьшает температуру плавления материала, а также заметно улучшает литейные свойства. Содержание кремния в различном процентном соотношении дает возможность получить сплавы разного цвета: от ферритного до чисто белого.
  • Присутствие в сплаве марганца значительно повышает твердость и прочность материала, но при этом ухудшаются его литейные и технологические качества.
  • Кроме этих примесей в состав сплава могут также входить иные компоненты. В таком случае материалы называют легированными. Чаще всего к чугуну примешиваются титан, алюминий, хром, медь и никель.

Производственные технологии чугуна

Как известно, чугун производится в специальных доменных печах. Основным сырьем для его получения служит железная руда. Технологический процесс изготовления состоит в восстановлении оксидов железной руды и получении в результате этого иного материала — чугуна. Для его изготовления используются такие виды топлива, как кокс, термоантрацит, природный газ.

Для производства одной тонны чугуна требуется около 550 килограмм кокса и приблизительно тонна воды. Объемы загружаемой в печь руды будут зависеть от содержания в ней железа. Как правило используют руду, в составе которой содержится железа не менее 70%. Все дело в том, что экономически нецелесообразно использовать меньшую его концентрацию.

Первым этапом производства чугуна является его выплавка. В доменную печь засыпается руда, а затем — коксующийся уголь, который необходим для нагнетания и поддержания требуемой температуры внутри шахты печи. Эти составляющие во время горения принимают активное участие в протекающих химических реакциях в качестве восстановителей железа.

Тем временем в печь погружается флюс, который выступает в роли катализатора. Ускоряя плавку пород, он тем самым поддерживает скорейшее высвобождение железа. Немаловажно знать, что перед загрузкой в печь руда проходит необходимую предварительную обработку. Она измельчается на дробильной установке, поскольку более мелкие частицы плавятся быстрее. Затем ее промывают, чтобы удалить частицы, не содержащие металл. Далее сырье подвергается обжигу, вследствие чего из него извлекается сера и другие инородные компоненты.

На втором этапе производства в заполненную и готовую к эксплуатации печь подается через специальные горелки природный газ. Кокс участвует в разогреве сырья. Происходит выделение углерода, который, соединяясь с кислородом, образует оксид. Он, в свою очередь, способствует восстановлению железа из руды.

При увеличении объема газа в печи снижается скорость протекания химической реакции. Она может и совсем остановиться при достижении определённого соотношения газа. Углерод проникает в сплав и соединяется с железом, при этом образуя чугун. Нерасплавленные элементы остаются на поверхности и вскоре удаляются. Такие отходы называются шлаком. Его используют для изготовления других материалов.

Сфера использования чугуна

Чугун используется в различных отраслях промышленности. Например, он широко применяется в машиностроении для производства различных деталей.

Чаще всего этот материал используется в производстве блоков для двигателей и коленчатых валов. Для изготовления последних необходим усовершенствованный сплав с добавлением специальных примесей из графита. Этот металл устойчив к трению, поэтому из него производят тормозные колодки высокого качества.

В жестких климатических условиях чугунный сплав незаменим, так как он позволяет изготовленным из него деталям машин работать бесперебойно даже при самых низких температурах.

В металлургической промышленности он себя также отлично зарекомендовал. Высоко ценятся его превосходные литейные свойства и относительно невысокая цена. Изделия из него отличаются очень высокой прочностью и износостойкостью.

Из чугунного сплава делается великое множество сантехнических изделий. Это батареи, раковины, разнообразные мойки и трубы. Широкой популярностью пользуются чугунные ванны и радиаторы отопления. Срок их службы весьма длительный. Во многих квартирах по сей день используются данные изделия, потому как они долго сохраняют свой первозданный вид и редко нуждаются в реставрации.

Немаловажен и тот факт, что превосходные литейные свойства чугуна позволяют изготавливать из него целые произведения искусства: такие как ажурные кованые ворота и всевозможные памятники архитектуры.

Примечательно, что цена за 1 килограмм чугуна обусловлена количеством находящегося в его составе углерода, а еще наличием разнообразных примесей и легирующих компонентов. Цена тонны чугуна составляет около 8000 рублей.

На сегодняшний день не существует ни одной сферы, где бы ни использовался этот металл. Его литье и сплавы выступают основой многих узлов, механизмов и деталей. Иногда он используется в качестве самостоятельного изделия, прекрасно справляясь с возложенными на него функциями. Это железосодержащее соединение является уникальным в своем роде. Оно остается незаменимым и поныне.

Различия между чугуном и сталью

Чугун и сталь являются соединениями железа с углеродом. Их принципиальное отличие состоит в процентном содержании углерода. В состав чугуна этот химический элемент входит в виде цементита либо графита, его содержание составляет от 2,14 до 4,5%. В случае, если сплав содержит углерода меньше заявленной нормы, то образуется сталь.

Чтобы понять, чем отличается сталь от чугуна, нужно рассмотреть их характеристики. Отличительной особенностью чугуна является количество углерода. Минимальное содержание его составляет 2,14%. Это основной показатель, по которому можно отличить этот материал от стали.

Содержание железа в стали составляет 45%, а процентное содержание углерода до 2. Для определения различий на глаз нужно обратить внимание на цвет. Сталь имеет светлый оттенок, а чугун темный.

Определить же процентное содержание примесей может только химический анализ. Если сравнивать температуру плавления чугуна и стали, то у чугуна она ниже и составляет 1150−1250 градусов. У стали — в районе 1500.

Чтобы отличить материал, нужно провести следующие действия:

  • Изделие опускается в воду и определяется объем вытесненной воды. У чугуна плотность меньше. Она составляет 7,2г/см3. У стали — 7,7−7,9 г / см3 .
  • К поверхности прикладывается магнит, который к стали притягивается лучше.
  • При помощи шлифовальной машинки или напильника натирается стружка. Затем она собирается в бумагу и вытирается об нее. Сталь не оставит следов.

 

Источники:

  • https://tokar.guru/hochu-vse-znat/chto-takoe-chugun-sostav-i-soderzhanie-ugleroda-v-splave.html
  • https://stroy-podskazka.ru/chugun/skolko-ugleroda
  • https://obrabotkametalla.info/stal/sostava-splava-chuguna-i-otlichie
  • https://metatorg.ru/marki-stali-i-splavy/chugun
Оцените статью:
[Всего голосов: 0    Средний: 0/5]