Що таке чавун? Характеристики металу, особливості виробництва і застосування

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:

• сірка – 0,02-0,2%;
• кремній – 0,5-3,6%;
• марганець – 0,2-1,5%;
• фосфор – 0,04-1,5%.

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.

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.

• Букви СЧ – сірий чавун;
• цифри – відомості про тимчасовий опір при розтягуванні (МПа/10).

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/мм² (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.

Що отримують з чавуну і де він використовується?

Матеріал досить популярний в машинобудуванні та інших галузях промисловості. Це головний компонент вихідних матеріалів для виплавки сталі в кисневих конвертерах, мартенах і електродугових печах. Крім того, чавун – найбільш популярний сплав для виготовлення виливків різної форми. Затребуваність чавуну в інших сферах пояснюється високими характеристиками міцності та достатньою щільністю. Області застосування деяких марок зведені в таблицю.

Якщо ж вас цікавить якісний металопрокат з сертифікованих матеріалів, звертайтеся в компанію «Метінвест-СМЦ». В нашому каталозі металопрокату ви знайдете будь-яку продукцію з більш 200 основних найменувань в потрібних типорозмірах і за адекватною ціною.