5.1.2. Чугун классификация, применение чугуна

Чугун  сплав железа с углеродом (углерода более 2,14 %). Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита и графита. Различают следующие виды чугунов: серый, белый, половинчатый, ковкий, высокопрочный, легированный.

Серый чугун  наиболее широко применяемый вид чугуна (машиностроение, сантехника, строительные конструкции).

Для деталей из серого чугуна характерны: малая чувствительность к влиянию внешних концентраторов напряжений при циклических нагружениях и более высокий коэффициент поглощения колебаний при вибрациях деталей (в 2-4 раза выше, чем у стали).

Важная конструкционная особенность серого чугуна  более высокое, чем у стали, отношение предела текучести к пределу прочности на растяжение. Наличие графита улучшает условия смазки при трении, что повышает антифрикционные свойства чугуна. Перлитный^* серый чугун имеет высокие прочностные свойства и применяется для цилиндров, втулок и др. нагруженных деталей двигателей, станин и т.д. Для менее ответственных деталей используют серый чугун с ферритно^**  перлитной металлической основой.

Белый чугун представляет собой сплав, в котором избыточный углерод, не находящийся в твердом растворе железа, присутствует в связанном состоянии в виде карбидов железа Fe₃C (цементит) или так называемых специальных карбидов (в легированном чугуне).

Белый чугун вследствие низких механических свойств и хрупкости имеет ограниченное применение для деталей простой конфигурации, работающих в условиях повышенного абразивного износа. Легирование белого чугуна карбидообразующими элементами (Cr, W, Mo и др.) повышает его износостойкость.

Половинчатый чугун содержит часть углерода в свободном состоянии в виде графита, а часть  в связанном в виде карбидов. Применяется в качестве фрикционного материала, работающего в условиях сухого трения (тормозные колодки), а также для изготовления деталей повышенной износостойкости (прокатные, бумагоделательные, мукомольные валки).

Ковким называется чугун в отливках, изготовленных из белого чугуна и подвергнутых последующему графитизирующему отжигу, в результате чего цементит распадается, а образующийся графит приобретает форму хлопьев. Ковкий чугун обладает лучшей демпфирующей способностью, чем сталь, и меньшей чувствительностью к надрезам, удовлетворительно работает при низких температурах. Ковкий чугун используют в основном в автомобиле-, тракторо- и сельхозмашиностроении.

Высокопрочный чугун, характеризующийся шаровидной или близкой к ней формой включений графита, получают модифицированием жидкого чугуна присадками Mg, Ce, Y, Ca и некоторых др. элементов (в чистом виде или в составе сплавов).

Высокопрочный чугун обладает хорошими литейными и технологическими свойствами (жидкотекучесть, линейная усадка, обрабатываемость резанием), но по значению сосредоточенной объемной усадки приближается к стали. Такой чугун применяется для замены стальных литых и кованых деталей (коленчатые валы двигателей, компрессоров и т.д.), а также деталей из ковкого или обычного серого чугуна.

Легированный чугун. Для улучшения прочностных, эксплуатационных характеристик или придания чугуну особых свойств (износостойкости, жаропрочности, жаростойкости, коррозионностойкости, немагнитности и т.д.) в его состав вводят легирующие элементы (Ni, Cr, Cu, Al, Ti, W, V, Mo и др.). Легирующими элементами могут служить также Mn при содержании > 2 % и Si при содержании > 4 %. Легированные чугуны классифицируют в соответствии с содержанием основных легирующих элементов  хромистые, никелевые, алюминиевые и т.д. По степени легирования различают низколегированные (суммарное количество легирующих элементов < 2,5 %), среднелегированные (2,5-10%) и высоколегированные (> 10 %).

Мировое производство чугуна в 2010 г. составило 1 030 млн т, что на 14,8 % выше, чем в 2009 г. (896 361 млн т). Мировая десятка стран–производителей чугуна выглядит следующим образом (табл. 5.1).

В 2010 г. в России было произведено 48,2 млн т чугуна (рис. 5.1), что на 9 % выше, чем в предыдущем году.

Чугун, получаемый в доменных печах, подразделяется на передельный чугун (около 80 % от всего производства чугуна), используемый для передела в сталь, и литейный чугун (около 20 %), используемый для производства изделий из чугуна.

Чугун как материал для производства художественных отливок использовался еще средневековыми мастерами (например, в Х в. нашей эры в Китае из чугуна было отлито уникальное изваяние льва весом 100 т, к сожалению, не сохранилось). С ХV в. в Германии, а затем в других странах Европы (в России с конца ХVII в.  каслинское литье) художественное литье из чугуна получило широкое распространение (парковая скульптура, надгробия, решетки, ограды, садовая мебель и пр.). В ХХ в. чугунное литье также широко используется.

Таблица 5.1

Мировая топ-десятка стран-производителей чугуна в 2009 году

№ п/п	Наименование	Количество, млн т
1	Китай	543,748
2	Япония	66,943
3	Россия	43,945
4	Индия	29,646
5	Южная Корея	27,278
6	Украина	25,676
7	Бразилия	25,267
8	Германия	20,154
9	США	18,936
10	Франция	8,105

Рис. 5.1. Динамика производства чугуна в России в 2001-2010 гг., млн т