Що таке чавун? Характеристики металу, особливості виробництва і застосування

Чавун – це залізовуглецевий сплав, в якому вміст вуглецю складає понад 2,14%. У ньому також можуть бути постійні домішки, а іноді й легувальні компоненти. Його механічні властивості залежать від структури і головним чином від форми, в якій знаходиться вуглець, а основними структурними складовими є цементит або графіт і продукти розпаду аустеніту, які в залежності від швидкості охолодження можуть бути мартенситом, трооститом, сорбітом, перлітом і феритом. Введення різних легувальних елементів дозволяє керувати процесом графітизації та по-різному корегувати властивості чавуну.

Чавун: коротка довідка

Сталь і чавун – це загальноприйняті технічні терміни для позначення сплавів заліза та вуглецю. Вміст вуглецю в чавуні від 2,14% і до 6,67%, решта – залізо, домішки і легуючі добавки. Вуглець може бути у вигляді графітових або цементітних (Fe3C – цементит, карбід заліза) включень. Основні домішки – кремній, сірка, марганець і фосфор. Чавун застосовується в ливарному виробництві, а також в якості сировини використовується для виплавки сталі.

Особливості та класифікація чавунів

Характеристики сплаву формуються ще на стадії виробництва. Залежно від параметрів протікання евтектичного перетворення чавуни бувають сірими (вуглець у вигляді графіту), білими (вуглець у вигляді цементиту) і половинчастими.

Розмір й конфігурація графітових вкраплень визначають марки чавуну та їх застосування. За формою графітних включень вони поділяються на чавуни з пластинчастим, кулястим, вермікулярним і пластівчастим графітом, а за видом металевої основи – на перлітні, перліто-феритні, феритні, аустенітні, бейнітні та мартенситні. Крім вуглецю в чавуні присутні:

Залежно від змісту додаткових добавок чавуни поділяють на нелеговані та леговані. До легованих відносяться сплави, в які для створення специфічних властивостей додані такі елементи, як нікель, хром, мідь, алюміній, титан, ванадій, вольфрам, молібден та ін. В свою чергу леговані чавуни класифікують відповідно до основного легируючого на хромисті, алюмінієві, нікелеві й т.д.

Основні відмінності між сталлю і чавуном

Основне, чим відрізняється чавун від сталі – це частка вуглецю в їх складі (у сталі вона знаходиться в діапазоні від 0,025% до 2,14%, у чавуну – понад 2,14%) й вміст домішок (в чавуні їх більше). Це формує температуру плавлення сплавів. Якщо у чавунів вона становить 1150-1250 градусів, то у сталей цей показник досягає 1500°С.

За зовнішнім виглядом сталь буде більш світлою, а сірі чавуни мають темний й матовий відтінок. Сталь легше зварюється та кується, але гірше піддається литтю. У чавунного продукту теплопровідність трохи вище, ніж у сталевого.

Виробництво чавунних виливків

Види чавунів та їх застосування

Переробний чавун

Цей сплав виплавляється в доменних печах й призначений для подальшого переділу в сталь або виготовлення виливків. Може використовуватися як в рідкому, так і у твердому стані. У передільних чавунах строго контролюється вміст кремнію, марганцю, сірки та фосфору. Основний стандарт, який обумовлює вимоги до даної продукції – ГОСТ 805. Залежно від змісту кремнію і призначення розрізняють наступні види передільних чавунів:

• переробний чавун для сталеплавильного виробництва марок П1, П2;
• переробний чавун для ливарного виробництва марок ПЛ1, ПЛ2;
• переробний фосфористий чавун ПФ1, ПФ2, ПФ3;
• переробний високоякісний чавун ПВК1, ПВК2, ПВК3.

Білий чавун

У ньому весь вуглець знаходиться у вигляді цементиту. Структура формується при високій швидкості охолодження. Відмінна особливість такого виду чавуну – білий відлив в місці зламу, а також високі крихкість й твердість (НВ 450-550). Продукт практично не піддається механічній обробці різальним інструментом. Такі сплави використовують для виготовлення литих зносостійких деталей (кулі, що мелють, лопаті шнеків, лопатки дрібнометних турбін, прокатні валки), а також в якості основи при виробництві ковких різновидів чавуну. Зносостійкість чавуну збільшують шляхом легування молібденом, нікелем, марганцем та іншими елементами.

Сірий чавун

У сірих чавунах вуглець представлений пластинчастим графітом. Знаходиться він у вільному вигляді, завдяки чому злам має характерний сірий колір. Такий сплав порівняно добре піддається механічній обробці, має відносно невисоку міцність та низьку пластичність при розтягуванні. При цьому, завдяки наявності пластинчастого графіту, сірий чавун володіє хорошими антифрикційними та демпфірувальними властивостями, малою чутливістю до концентраторів напруги. Внутрішня структура формується при низьких темпах охолодження.

Сірий чавун має хорошу плинність, мало схильний до утворення усадочних дефектів у порівнянні з іншими видами чавуну, тому його широко використовують для виготовлення виливків складної форми з товщиною стінок аж до 500 мм.

Маркування визначене ГОСТ 1412 та позначає перелік марок від СЧ 10 до СЧ 35.

Високоміцний (модифікований) чавун

Особливість цього сплаву, одержуваного шляхом додавання в розплав чавуну чистого магнію (Mg), його з’єднань або інших модифікаторів-сфероідізаторів (церію, ітрію та ін.), в тому, що графіт в такому чавуні має кулясту форму. Кількість модифікуючого компоненту, того ж магнію, становить 0,02-0,08%.

Властивості чавуну з кулястим графітом визначає в основному металева основа (на відміну від сірого чавуну з пластинчастими графітними включеннями). Такий високоміцний сплав використовують при виробництві зносостійких деталей відповідального призначення, що витримують великі статичні, циклічні й ударні навантаження в умовах зносу, в тому числі в агресивних середовищах й при високих температурах.

ГОСТ 7293 регламентує вимоги до хімічного складу та властивостей сплавів з кулястим графітом для виливків. Відповідно до цього стандарту випускають вироби марок ВЧ 35, ВЧ 40, ВЧ 45, ВЧ 50, ВЧ 60, ВЧ 70, ВЧ 80 і ВЧ 100, де «ВЧ» – позначення високоміцного чавуну, а цифра – мінімальне значення тимчасового опору σв ( МПа/10). Так, продукт ВЧ 40 має σв не менше 400 МПа. Високоміцні чавуни бувають на феритній, ферито-перлітній, перлітній основі.

Ковкий чавун та його маркування

Продукт відпалу заготівель білого чавуну, що має у своїй структурі графіт у формі пластівців («вуглець відпалу»). Це надає сплаву високу міцність й підвищену пластичність, однорідність розподілу властивостей, хорошу оброблюваність та практично повну відсутність внутрішніх напружень у виливках. Завдяки цим властивостям ковкий чавун застосування знайшов у виробництві продукції відповідального призначення – деталей та елементів, що працюють при вібраційних та ударних навантаженнях.

Залежно від хімічного складу чавуну й режимів відпалу можна отримувати різну основу – феритну, перлітну або ферітоперлітну. Розрізняють також два різновиди ковкого металу – черносердцевий й білосердцевий. Основні параметри такої продукції регламентовані ГОСТ 1215.

Містко й точно характеризує ковкий чавун маркування, яке містить не тільки його позначення (КЧ), але й основні механічні властивості – мінімальний тимчасовий опір та відносне подовження Наприклад, буквено-цифровий код КЧ 33-8 позначає, що у ковкого чавуну даної марки мінімальний тимчасовий опір 37 кгс/мм 2 (або 323 МПа), а показник відносного подовження – не менше 8%.

Спеціальні чавуни

Існують марки сплавів зі спеціальними характеристиками, які досягаються шляхом легування, застосування спеціальної технології відпалу та охолоджування. До таких чавунів відносяться:

• жаростійкі;
• корозійностійкі;
• художні;
• антифрикційні й зносостійкі;
• чавуни з особливими електромагнітними властивостями;
• феросплави та інші.

Технічні умови на леговані спеціальні чавуни регламентують стандарти ДСТУ 8851, ГОСТ 7769, ISO 2892 та інші. У них вказується з чого складається чавун для різних особливих застосувань, якими механічними властивостями він повинен володіти та яким чином необхідно його маркувати.

Як спеціальні домішки позначаються на структурі чавуну?

При виробництві окремих сплавів додавання спеціальних присадок в чавун змінює його склад та властивості.

• Кремній є найважливішим легуючим елементом в чавуні, який разом з вуглецем впливає на структуру й властивості. Кремній позитивно впливає на виділення графіту, покращує ливарні властивості сплаву.
• Сірка зменшує здатність рідкого чавуну заповнювати ливарні форми, знижує його механічні властивості та надає червоноламкість.
• Марганець негативно позначається на ливарних властивостях, протидіє графітизації, але збільшує твердість та міцність.
• Фосфор необхідний при виготовленні чавунних виливків складної форми, в тому числі тонкостінних, оскільки сприяє підвищенню рідкоплинністі сплаву. Але при цьому втрачається міцність, зростає крихкість.

Домогтися специфічних властивостей дозволяють й інші легуючі добавки, що вводяться на етапі виплавки матеріалу. Виходить змінена характеристика чавуну з поліпшеними зносо- або жаростійкістю, корозійною міцністю або електропровідністю.

Переваги та недоліки

Перші виявлені грубі чавунні виливки датуються серединою XIV століття. З тої пори істотно змінилися технології, розширилося і застосування чавуну. Об’єктивно оцінюючи цей продукт чорної металургії, потрібно назвати як його позитивні, так і негативні сторони.

Безперечні переваги

В першу чергу це екологічність і відмінні гігієнічні якості. До того ж чавунний посуд не руйнується в кислотно-лужних розчинах, добре миється та прогрівається, довго зберігаючи акумульоване тепло. Слід зазначити довговічність і широку лінійку асортименту, економічність та відносно нескладний процес виробництва чавунних виробів.

Варіюючи стан знаходження вуглецю в сплаві, можна отримати білий або сірий чавун. Широкий спектр застосування пояснюється легкою обробкою (куванням), високою тепловіддачею і міцністю.

Недоліки чавуну, як матеріалу

Найбільш слабкими сторонами сплавів вважаються крихкість і схильність до іржавіння навіть при короткочасній взаємодії з водою. До того ж вироби з чавуну відрізняються великою вагою і специфічним набором фізико-механічних характеристик, які потребують особливих умов для їх транспортування, збирання та обслуговування.

Як роблять чавун?

Сплав виплавляється в доменних печах й вагранках. Основним джерелом заліза служить залізорудна сировина – продукт збагачення руди. Застосовується паливо – кокс (продукт спеціальної обробки кам’яного вугілля), природний газ, пиловугільне паливо. Високотемпературна технологія плавки чавуну в шахтній печі дозволяє запускати відновні хімічні процеси та виділяти залізо з оксидів.

В результаті доменної плавки виходить сплав заліза й вуглецю – чавун, а також шлак, що містить невідновлені оксиди, залишки флюсів, золи палива та ін.

Придатність чавунів до зварювальних робіт

З’єднання чавунних деталей за допомогою зварювання як ніколи актуально і вимагає серйозного підходу. У технологічному аспекті придатність металу низька. На це існує ряд причин, і головна з них – дуже високий вміст вуглецю і домішок. Крім того, важко сформувати зварений шов через рідкоплинність матеріалу. Можливі непровари – результат утворення тугоплавких оксидів в процесі окислення кремнію, інших компонентів сплаву. Інтенсивне виділення газу призводить до утворення у шві пір.

Застосування чавуну для зварювання з металами, що відрізняються швидкістю охолодження/нагрівання призводить до утворення тріщин на звареному шві і його крихкості. Тому, для зварювання вдаються до використання покритих або вугільних електродів, порошкового дроту, установок газового зварювання. Уникнути утворення загартованих ділянок допомагає попередній прогрів зварюваних деталей та правильний вибір режиму зварювання.

Обсяги виробництва чавуну

Перше місце у світі з виробництва чавуну вже кілька років поспіль міцно утримує Китайська Народна Республіка. За перші два місяці 2019 року китайські компанії збільшили обсяги його виплавки до 126, 59 млн. тонн. Таким чином, більше половини світових обсягів чавуну сьогодні виплавляється у Піднебесній.

Обсяги світового виробництва чавуну, тис. тонн

Окрім Китаю, до рейтингу провідних виробників чавуну входять Індія, Японія, РФ, Південна Корея, Іран, Бразилія, Німеччина та США. А замикає ТОП-10 Україна, що стало можливо завдяки стабільній діяльності підприємств Групи Метінвест.

Виробництво чавуну у світі з 2010 по 2019 рік

Чавун, його особливості, механічні, технологічні властивості

Сплав заліза з вуглецем, який містить понад 2,14 (до 6,67)% вуглецю, називають чавуном. Чавун – первинний матеріал металургійної переробки залізних руд. Матеріали для одержання (плавки) чавуну в доменній печі називають шихтою. Шихта складається із залізної руди, яку попередньо готують для плавки, вапняку, необхідного для утворення шлаків, і палива, яким є металургійний кокс.

Перед завантаженням у доменну піч залізну руду подрібнюють за допомогою спеціальних машин до шматків розміром 30-100 мм і збагачують, відокремлюючи від неї, по можливості, порожню породу.

Для розплавлення залізної руди в доменній печі необхідна висока температура, яка утворюється за рахунок спалювання палива. Основним паливом є кокс, який одержують шляхом сухої перегонки кам’яного вугілля.

Для горіння палива потрібен кисень, який беруть з повітря, що нагнітається в доменну піч.

Порожня порода має дуже високу температуру плавлення. Щоб полегшити її розплавлення, застосовують флюси. Флюси, взаємодіючи з порожньою породою і золою, утворюють легкоплавкий шлак. Зазвичай, як флюс застосовують вапняк. Таким чином, залізна руда, паливо і флюси утворюють шихту, яку в певному порядку завантажують у доменну піч.

Доменна піч – це шахта зі сталевих листів, яку зсередини викладено вогнетривкою цеглою. Сталевий кожух слугує для підсилення міцності. Шихту завантажують через завантажувальний пристрій колошника.

Після випуску з доменної печі чавун розливають у форми. Застиглий у формі чавун називають чушкою, яка важить приблизно 50 кг.

У результаті доменного процесу утворюються відходи – шлак і доменний газ . Шлак після випускання з горна охолоджують. Його використовують у будівництві для виготовлення цементу, шлакобетону, шлакової цегли та ін.. Доменний газ, що утворюється під час згорання палива, піднімається шахтою, віддає частину свого тепла залізній руді і виходить через відводи. Його використовують для підігрівання повітря, яке подається в доменну піч як паливо для промислових цілей.

Чавуни, виплавлені у доменних печах, поділяють на ливарний, переробний і спеціальні доменні феросплави.

За характерним кольором на зламі чавуни поділяють на білі і сірі. Структура цих сплавів залежить від того, в якому стані у них перебуває вуглець. У білому чавуні весь вуглець перебуває у зв’язаному стані, утворюючи цементит . Такий чавун відрізняється високою твердістю і крихкістю, практично не піддається обробці різанням, тому має обмежене застосування. Його переробляють на сталь і називають переробним. Залежно від способу переробки на сталь, переробні чавуни бувають трьох видів: мартенівський, бесемерівський і томасівський. Невелика кількість білого чавуну йде для отримання ковкого чавуну.

У сірому чавуні вуглець здебільшого у вигляді графітних виділень пластинчастої, кулястої або пластівчастої форми. Залежно від цього сірий чавун поділяють на звичайний, високоміцний і ковкий. Цей чавун називають ливарним. Він має хороші ливарні якості, щільно заповнює форму, його добре обробляти. Його застосовують для виробництва деталей машин, труб, санітарних приладів, санітарно-технічної арматури, деталей екскаваторів та інших будівельних машин.

Механічні властивості сірих чавунів залежать від кількості, розмірів і характеру розподілу графітних виділень. Чим вони більші за формою та кількістю, тим гірші механічні властивості чавуну. Так, сірий чавун з великою кількістю крупних графітних пластинок , що розділяють його металічну основу, має грубозернистий злам і відносно низькі механічні характеристики, особливо міцність і пластичність.

Найвищу міцність мають чавуни з кулястим графітом. Їх створюють модифікуванням невеликої кількості магнію, церію чи деяких інших елементів і називають високоміцними. Ковкий чавун з пластівчастим графітом за міцністю займає проміжне місце між звичайним сірим і високоміцним чавуном, проте має більшу пластичність і в’язкість. Його одержують методом випалу – томління з білого чавуну, використовуючи нестійкість цементиту.

Наявність графіту в чавунах поліпшує оброблюваність різанням, підвищує їхні антифрикційні властивості, сприяє швидкому гасінню вібрацій і резонансних коливань, зменшує твердість чавуну.

Доменні феросплави додають до шихти у виробництві сталі, а також у виливанні чавунних виробів. Феросиліцій містить крім заліза і вуглецю 9-13% кремнію. У феромарганець входить, крім заліза і вуглецю, до 75% марганцю.

Властивості чавуну залежать від домішок, які є в його складі, та їх кількості. У чавуні крім заліза і вуглецю є кремній, марганець, фосфор і сірка.

Кремній сприяє виділенню вуглецю в чавуні у вигляді графіту і поліпшує ливарні якості чавуну, збільшує рідкотекучість і зменшує його усадку.

Марганець сприяє утворенню цементиту. За невеликого (до 1 %) вмісту марганець підвищує міцність чавуну.

Фосфор робить чавун крихким у холодному стані (холодноламкість) і рідкотекучим, завдяки чому добре заповнюються тонкі перерізи ливарних форм.

Сірка збільшує твердість і крихкість чавуну, утворює тріщини у виливках під час нагрівання чавунних виробів (червоноламкість).

Вуглець, кремній і марганець корисні, а фосфор і сірка – шкідливі домішки чавуну.

Кисень, азот, водень – шкідливі приховані домішки. Наявність їх як у вільному, так і у зв’язаному стані погіршує механічні властивості чавуну.

Крім цих домішок, у чавунах можуть бути присутніми легуючі елементи. Такі, як мідь, алюміній, нікель, сприяють графітизації, а хром, молібден, ванадій, вольфрам – відбілюванню чавунів. Якщо чавун виплавляють із руд, що містять певні легуючі домішки, то його називають природно легованим.

У невеликих кількостях із сировини під час виплавляння чавуну можуть потрапляти різні випадкові домішки, але їхній вплив на властивості чавуну незначний.

Маркують сірі чавуни, поєднуючи літери і цифри. Існуючі стандарти встановлюють такі літери позначення: Ч – чавун, С – сірий, В – високоміцний, К – ковкий. Цифрами позначують механічні характеристики чавунів.

У марці звичайного сірого чавуну цифри після літер вказують границю міцності на розтяг. Наприклад, СЧ10 – сірий чавун з границею міцності на розтяг 10 кгс/мм2 або 100 МПа. Номенклатура злитків із сірого чавуну та їхня маса різноманітні: від деталей у кілька грамів до злитків у сотні тон. Марки чавуну для конкретних умов роботи визначаються сукупністю технологічних і механічних властивостей.

СЧ10, СЧ15, СЧІ8 – слабо- і середньо навантажені деталі: корпуси редукторів і насосів, кожухи, кришки, шківи, маховики, супорти, станини, фланці.

СЧ20, СЧ21, СЧ25 -деталі, які працюють при підвищених статичних і динамічних навантаженнях: барабани зчеплення, блоки циліндрів, каретки, поршні, кокільні форми.

СЧ30, СЧ35 – деталі, які працюють при високих навантаженнях або у важких умовах спрацювання: гільзи блоків циліндрів, зубчасті колеса, шпинделі, деталі пневматики і гідроприводів.

Високоміцні чавуни позначають літерами ВЧ і двома числами через дефіс, перше з яких показує границю міцності при розтягуванні, а друге – відносне видовження, наприклад ВЧ80- 2-високоміцний чавун з границею міцності на розтяг 800 МПа і відносним видовженням 2%. Їх широко застосовують для виготовлення важковантажних злитків деталей шляхобудівних машин, ковальсько-пресового обладнання , колінчастих валів та інших деталей у турбо-, тракторо- і автомобілебудуванні.