Чугун – это класс железоуглеродистых сплавов с содержанием углерода более 2% и кремния около 1–3%. [1] Его полезность обусловлена его относительно низкой температурой плавления. Легирующие элементы определяют форму, в которой появляется углерод: углерод в белом чугуне объединен в карбид железа , называемый цементитом , который очень тверд, но хрупок, так как позволяет трещинам проходить насквозь; Серый чугун имеет чешуйки графита, которые отклоняют проходящие трещины и вызывают бесчисленное количество новых трещин по мере разрушения материала, а ковкий чугун имеет сферические графитовые «узелки», которые препятствуют дальнейшему развитию трещины.
Углерод (С) в количестве от 1,8 до 4 мас.% и кремний (Si) в количестве 1–3 мас.% являются основными легирующими элементами чугуна. Сплавы железа с более низким содержанием углерода известны как стали .
Чугун имеет тенденцию быть хрупким , за исключением ковкого чугуна . Благодаря относительно низкой температуре плавления, хорошей текучести, литейным свойствам , отличной обрабатываемости , устойчивости к деформации и износостойкости , чугуны стали конструкционным материалом с широким спектром применения и используются в трубах , машинах и деталях автомобильной промышленности , таких как цилиндры. головки , блоки цилиндров и корпуса коробки передач . Он устойчив к окислению , но, как известно, его трудно сваривать .
Самые ранние чугунные артефакты датируются V веком до нашей эры и были обнаружены археологами на территории современного Цзянсу , Китай. Чугун использовался в древнем Китае для войны, сельского хозяйства и архитектуры. [2] В 15 веке нашей эры чугун стал использоваться для изготовления пушек в Бургундии , Франции и в Англии во время Реформации . Количество чугуна, используемого для пушек, требовало крупномасштабного производства. [3] Первый чугунный мост был построен в 1770-х годах Авраамом Дарби III и известен как Железный мост в Шропшире , Англия. Чугун также использовался при строительстве зданий .
Чугун производят из чугуна , который является продуктом плавки железной руды в доменной печи . Чугун может быть изготовлен непосредственно из расплавленного чугуна или путем переплавки чугуна, [4] часто вместе со значительными количествами железа, стали, известняка, углерода (кокса) и принятия различных мер для удаления нежелательных загрязнений. Из расплавленного железа можно выжечь фосфор и серу , но при этом выгорает и углерод, который необходимо заменить. В зависимости от применения содержание углерода и кремния доводится до желаемого уровня, который может составлять от 2–3,5% и 1–3% соответственно. При желании в расплав затем добавляются другие элементы, прежде чем окончательная форма будет получена путем литья . [ нужна цитата ]
Чугун иногда плавят в доменной печи особого типа, известной как вагранка , но в современных применениях его чаще плавят в электрических индукционных печах или электродуговых печах. [5] После завершения плавки расплавленный чугун выливают в раздаточную печь или ковш. [ нужна цитата ]
Свойства чугуна изменяются путем добавления различных легирующих элементов или присадок . После углерода кремний является наиболее важным сплавом , поскольку он вытесняет углерод из раствора. Низкий процент кремния позволяет углероду оставаться в растворе, образуя карбид железа и производя белый чугун. Высокий процент кремния вытесняет углерод из раствора с образованием графита и производства серого чугуна. Другие легирующие агенты, марганец , хром , молибден , титан и ванадий , противодействуют кремнию, способствуют удержанию углерода и образованию этих карбидов. Никель и медь повышают прочность и обрабатываемость, но не изменяют количество образующегося графита. Углерод в форме графита делает железо более мягким, уменьшает усадку, снижает прочность и плотность. Сера , если она присутствует, в основном является загрязнителем, образует сульфид железа , который предотвращает образование графита и увеличивает твердость . Проблема с серой в том, что она делает расплавленный чугун вязким, что приводит к дефектам. Чтобы противостоять воздействию серы, добавляют марганец , поскольку они образуют сульфид марганца , а не сульфид железа. Сульфид марганца легче расплава, поэтому он имеет тенденцию всплывать из расплава в шлак . Количество марганца, необходимое для нейтрализации серы, составляет 1,7 × содержание серы + 0,3%. Если добавить больше этого количества марганца, то образуется карбид марганца, повышающий твердость и охлаждение , за исключением серого чугуна, где до 1% марганца увеличивает прочность и плотность. [6]
Никель является одним из наиболее распространенных легирующих элементов, поскольку он улучшает структуру перлита и графита, повышает ударную вязкость и выравнивает разницу в твердости между толщинами сечений. Хром добавляют в небольших количествах для уменьшения содержания свободного графита, получения охлаждения и потому, что он является мощным стабилизатором карбида ; никель часто добавляют вместе. Вместо 0,5% хрома можно добавить небольшое количество олова . Медь добавляют в ковше или печи в количестве 0,5–2,5 % для уменьшения холода, рафинирования графита и повышения текучести. Молибден добавляют порядка 0,3–1% для увеличения охлаждения и улучшения структуры графита и перлита; его часто добавляют вместе с никелем, медью и хромом для получения высокопрочного железа. Титан добавляется в качестве дегазатора и раскислителя, но он также повышает текучесть. В чугун добавляют 0,15–0,5 % ванадия для стабилизации цементита, повышения твердости, повышения стойкости к износу и нагреву. 0,1–0,3 % циркония способствует образованию графита, раскислению и повышению текучести. [6]
В расплавы ковкого железа добавляют висмут в количестве 0,002–0,01%, чтобы увеличить количество добавляемого кремния. В белый чугун бор добавляется для получения ковкого железа; это также уменьшает огрубляющий эффект висмута. [6]
Серый чугун характеризуется графитовой микроструктурой, из-за которой изломы материала имеют серый вид. Это наиболее часто используемый чугун и наиболее широко используемый литой материал в зависимости от веса. Большинство чугунов имеют химический состав: 2,5–4,0% углерода, 1–3% кремния, а остальное — железа. Серый чугун обладает меньшей прочностью на разрыв и ударопрочностью , чем сталь, но его прочность на сжатие сравнима с низко- и среднеуглеродистой сталью. Эти механические свойства контролируются размером и формой графитовых чешуек, присутствующих в микроструктуре, и могут быть охарактеризованы в соответствии с рекомендациями ASTM . [7]
Белый чугун имеет белые изломанные поверхности из-за присутствия осадка карбида железа, называемого цементитом. При меньшем содержании кремния (графитизирующего агента) и более высокой скорости охлаждения углерод в белом чугуне выделяется из расплава в виде метастабильной фазы цементита Fe 3 C, а не графита. Цементит, выпадающий из расплава, образует относительно крупные частицы. По мере выпадения карбида железа он забирает углерод из исходного расплава, перемещая смесь в сторону смеси, более близкой к эвтектике, а оставшаяся фаза представляет собой низший железоуглеродистый аустенит (который при охлаждении может превратиться в мартенсит ). Эти эвтектические карбиды слишком велики, чтобы обеспечить преимущества так называемого дисперсионного твердения (как в некоторых сталях, где гораздо меньшие выделения цементита могут ингибировать [пластическую деформацию], препятствуя движению дислокаций через матрицу чистого феррита железа). Скорее, они увеличивают объемную твердость чугуна просто благодаря своей очень высокой твердости и значительной объемной доле, так что объемную твердость можно аппроксимировать правилом смесей. В любом случае, они предлагают твердость в ущерб прочности . Поскольку карбид составляет большую часть материала, белый чугун можно с полным основанием классифицировать как металлокерамику . Белый чугун слишком хрупок для использования во многих конструктивных компонентах, но благодаря хорошей твердости и стойкости к истиранию и относительно низкой стоимости он находит применение в таких областях, как изнашиваемые поверхности ( крыльчатка и улитка ) шламовых насосов , гильзы корпуса и подъемные стержни в шаровых опорах. мельницы и мельницы самоизмельчения , шары и кольца в угольных пылеуловителях , а также зубья экскаваторного ковша (хотя для этого применения чаще используется литая среднеуглеродистая мартенситная сталь). [ нужна цитата ]
Трудно охладить толстые отливки достаточно быстро, чтобы полностью затвердеть расплавом в виде белого чугуна. Однако быстрое охлаждение можно использовать для затвердевания оболочки из белого чугуна, после чего остальная часть остывает медленнее с образованием ядра из серого чугуна. Полученная отливка, называемая охлажденной отливкой , имеет преимущества твердой поверхности и несколько более жесткой внутренней части. [ нужна цитата ]
Сплавы белого железа с высоким содержанием хрома позволяют отливать в песчаные формы массивные отливки (например, 10-тонное рабочее колесо), поскольку хром снижает скорость охлаждения, необходимую для производства карбидов из-за большей толщины материала. Хром также дает карбиды с впечатляющей стойкостью к истиранию. [8] Эти сплавы с высоким содержанием хрома объясняют свою превосходную твердость наличием карбидов хрома. Основной формой этих карбидов являются эвтектические или первичные карбиды M 7 C 3 , где «M» означает железо или хром и может варьироваться в зависимости от состава сплава. Эвтектические карбиды формируются в виде пучков полых шестиугольных стержней и растут перпендикулярно базовой плоскости шестиугольника. Твердость этих карбидов находится в пределах 1500-1800HV. [9]
Ковкий чугун начинается с отливки из белого чугуна, которую затем подвергают термообработке в течение дня или двух при температуре около 950 ° C (1740 ° F), а затем охлаждают в течение дня или двух. В результате углерод в карбиде железа превращается в графит и феррит плюс углерод. Медленный процесс позволяет поверхностному натяжению превращать графит в сфероидальные частицы, а не в хлопья. Из-за более низкого соотношения сторон сфероиды относительно короткие и далеки друг от друга, а также имеют меньшее поперечное сечение по сравнению с распространяющейся трещиной или фононом . Они также имеют тупые границы, в отличие от чешуек, что облегчает проблемы с концентрацией напряжений, присущие серому чугуну. В целом свойства ковкого чугуна больше похожи на свойства мягкой стали . Существует предел размера детали, которую можно отлить из ковкого чугуна, поскольку она изготавливается из белого чугуна. [ нужна цитата ]
Разработанный в 1948 году чугун с шаровидным графитом , или ковкий чугун , имеет графит в виде очень мелких узелков, а графит - в виде концентрических слоев, образующих узелки. В результате свойства ковкого чугуна такие же, как у губчатой стали, без эффекта концентрации напряжений, который вызывают чешуйки графита. Процент углерода составляет 3-4%, а процент кремния - 1,8-2,8%. Небольшие количества магния от 0,02 до 0,1% и только от 0,02 до 0,04% церия , добавленные в эти сплавы, замедляют рост выделений графита за счет прилипания к краям. графитовых плоскостей. Наряду с тщательным контролем других элементов и времени, это позволяет углероду отделяться в виде сфероидальных частиц по мере затвердевания материала. Свойства аналогичны ковкому чугуну, но можно отливать детали большего сечения. [ нужна цитата ]
.jpg/1280px-Eastern_Han_Blast_Furnace_Blower_Model_(10340434095).jpg)
Чугун и кованое железо могут быть получены непреднамеренно при выплавке меди с использованием железной руды в качестве флюса. [11] : 47–48
Самые ранние чугунные артефакты датируются V веком до нашей эры и были обнаружены археологами на территории современного округа Лухэ провинции Цзянсу в Китае в период Воюющих царств . Это основано на анализе микроструктуры артефакта. [2]
Поскольку чугун сравнительно хрупок, он не подходит для целей, где требуется острый край или гибкость. Он прочен при сжатии, но не при растяжении. Чугун был изобретен в Китае в V веке до нашей эры, и его заливали в формы для изготовления лемехов и горшков, а также оружия и пагод. [12] Хотя сталь была более желательной, чугун был дешевле и поэтому чаще использовался для изготовления орудий в древнем Китае, в то время как кованое железо или сталь использовались для оружия. [2] Китайцы разработали метод отжига чугуна, выдерживая горячие отливки в окислительной атмосфере в течение недели или дольше, чтобы сжечь некоторое количество углерода у поверхности и предотвратить слишком хрупкость поверхностного слоя. [13] : 43
Глубоко в регионе Конго , среди лесов Центральной Африки, более 1000 лет назад кузнецы изобрели сложные печи, способные выдерживать высокие температуры. Существует бесчисленное множество примеров сварки, пайки и чугуна, созданного в тиглях и разлитого в формы. Эти методы использовались для использования составных инструментов и оружия с чугунными или стальными лезвиями и мягкой, гибкой внутренней частью из кованого железа. Также производилась железная проволока. Ранние европейские миссионеры дали многочисленные свидетельства о том, что народ Люба заливал чугун в формы для изготовления мотыг. Эти технологические инновации были осуществлены без изобретения доменной печи, которая была предпосылкой для внедрения таких инноваций в Европе и Азии. [14]
На западе, где он стал доступен только в 15 веке, его первым использованием были пушки и выстрелы. Генрих VIII положил начало литью пушек в Англии. Вскоре английские металлурги, использующие доменные печи, разработали технологию производства чугунных пушек, которые, хотя и тяжелее преобладающих бронзовых пушек, были намного дешевле и позволяли Англии лучше вооружать свой флот. Технология чугуна была перенесена из Китая. [15] Аль-Казвини в 13 веке и другие путешественники впоследствии отметили железную промышленность в горах Альбурз к югу от Каспийского моря . Это близко к Шелковому пути , поэтому возможно использование технологий, полученных из Китая. [15] Мастера железа Уилда продолжали производить чугуны до 1760-х годов, а после Реставрации вооружение было одним из основных применений утюгов .
Чугунные горшки изготавливали в то время на многих английских доменных печах. В 1707 году Авраам Дарби запатентовал новый метод изготовления кастрюль (и чайников) тоньше и, следовательно, дешевле, чем те, которые изготавливались традиционными методами. Это означало, что его печи Коулбрукдейла стали доминирующими поставщиками котлов, и в 1720-х и 1730-х годах к ним присоединилось небольшое количество других доменных печей, работающих на коксе .
Применение парового двигателя для привода в действие сильфонов (косвенно путем перекачки воды в водяное колесо) в Британии, начиная с 1743 года и увеличиваясь в 1750-х годах, стало ключевым фактором в увеличении производства чугуна, которое резко возросло в последующие десятилетия. Помимо преодоления ограничения на мощность воды, дутье с паровым насосом и водяным приводом обеспечивало более высокие температуры в печи, что позволяло использовать более высокие соотношения извести, позволяя переходить от древесного угля (запасов древесины для которого было недостаточно) на кокс. [16] : 122
Использование чугуна в конструкционных целях началось в конце 1770-х годов, когда Авраам Дарби III построил Железный мост , хотя уже использовались короткие балки, например, в доменных печах в Коулбрукдейле. За этим последовали и другие изобретения, в том числе одно, запатентованное Томасом Пейном . Чугунные мосты стали обычным явлением по мере того, как промышленная революция набирала обороты. Томас Телфорд принял материал для своего моста вверх по течению в Билдвасе , а затем для акведука Лонгдон-он-Терн , акведука через канал в Лонгдон-он-Терн на канале Шрусбери . За ним последовали акведук Чирк и акведук Понткисиллте , оба из которых продолжают использоваться после недавних реставраций.
Лучшим способом использования чугуна для строительства мостов было использование арок , чтобы весь материал находился в сжатом состоянии. Чугун, как и каменная кладка, очень силен на сжатие. Кованое железо, как и большинство других видов железа, а также, как и большинство металлов в целом, прочно на растяжение, а также прочно и устойчиво к разрушению. Отношения между кованым железом и чугуном в структурных целях можно рассматривать как аналогичные отношениям между деревом и камнем.
Чугунные балочные мосты широко использовались на первых железных дорогах, таких как мост Уотер-стрит в 1830 году на конечной Манчестерской железной дороге Ливерпуля и Манчестера , но проблемы с его использованием стали слишком очевидными, когда был построен новый мост, несущий Честер и Холихед. Железная дорога через реку Ди в Честере обрушилась, в результате чего погибли пять человек в мае 1847 года, менее чем через год после ее открытия. Катастрофа на мосту Ди была вызвана чрезмерной нагрузкой на центр балки проходящим поездом, и многие подобные мосты пришлось снести и перестроить, часто из кованого железа . Мост был плохо спроектирован и был скреплен ремнями из кованого железа, которые ошибочно считались укрепляющими конструкцию. Центры балок были подвергнуты изгибу, при этом нижняя кромка растянута, где чугун, как и каменная кладка , очень слаб.
Тем не менее, чугун продолжал использоваться ненадлежащим образом, пока катастрофа на железнодорожном мосту Тэй в 1879 году не поставила под серьезные сомнения использование этого материала. Важные проушины для крепления анкеров и стоек на мосту Тэй были отлиты заодно с колоннами и вышли из строя на ранних стадиях аварии. Кроме того, отверстия для болтов тоже были литыми, а не просверленными. Таким образом, из-за угла уклона отливки напряжение от стяжек приходилось на край отверстия, а не распространялось по длине отверстия. Новый мост был построен из кованого железа и стали.
Однако произошли дальнейшие обрушения мостов, кульминацией которых стала железнодорожная авария на Норвуд-Джанкшен в 1891 году. Тысячи чугунных железнодорожных мостов в конечном итоге были заменены стальными эквивалентами к 1900 году из-за широко распространенной обеспокоенности по поводу чугуна под мостами на железнодорожной сети Великобритании.
Чугунные колонны , впервые использованные в мельничных зданиях, позволили архитекторам строить многоэтажные здания без чрезвычайно толстых стен, необходимых для каменных зданий любой высоты. Они также открыли производственные площади на фабриках и открыли обзорные площадки в церквях и аудиториях. К середине 19 века чугунные колонны были обычным явлением в складских и промышленных зданиях в сочетании с коваными или чугунными балками, что в конечном итоге привело к развитию небоскребов со стальным каркасом. Чугун также иногда использовался для декоративных фасадов, особенно в Соединенных Штатах, и в районе Сохо в Нью-Йорке есть множество примеров. Иногда его также использовали для строительства полностью сборных зданий, таких как историческое железное здание в Уотервлите, штат Нью-Йорк . [ нужна цитата ]
Другое важное применение было на текстильных фабриках . Воздух на фабриках содержал легковоспламеняющиеся волокна прядуемого хлопка, конопли или шерсти . В результате текстильные фабрики имели тревожную склонность к сгоранию. Решением было построить их полностью из негорючих материалов, и было сочтено удобным снабдить здание железным каркасом, в основном из чугуна, заменив горючую древесину. Первое такое здание было в Дитерингтоне в Шрусбери , Шропшир. [17] Многие другие склады были построены с использованием чугунных колонн и балок, хотя ошибочные конструкции, дефектные балки или перегрузка иногда приводили к обрушению зданий и структурным разрушениям. [ нужна цитата ]
Во время промышленной революции чугун также широко использовался для изготовления рам и других неподвижных частей машин, в том числе прядильных, а затем и ткацких машин на текстильных фабриках. Широкое распространение получил чугун, во многих городах появились литейные заводы , производившие промышленное и сельскохозяйственное оборудование. [18]
{{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )