Багато хто знає про такий матеріал як чавун і його міцнісні характеристики. Сьогодні ми з вами поглибимо ці знання і з 'ясуємо, що таке чавун, з чого він складається, яких видів буває і як виробляється.
Склад
Що таке чавун? Це сплав з заліза, вуглецю і різноманітних домішок, завдяки яким він набуває необхідних властивостей. Матеріал повинен мати у своєму складі не менше 2,14% вуглецю. В іншому випадку, це буде сталь, а не чавун. Саме завдяки вуглецю чавун має підвищену твердість. Разом з тим, даний елемент знижує пластичність і ковкість матеріалу, надаючи йому крихкість.
Крім вуглецю, до складу чавуну в обов 'язковому порядку входять: марганець, кремній, фосфор і сірка. У деякі марки також вносять додаткові присадки, для надання матеріалу специфічних властивостей. Серед часто використовуваних легуючих елементів можна відзначити: хром, ванадій, нікель і алюміній.
Властивості чавуну
Матеріал має щільність 7,2 г/см3. Для металів і їх сплавів це досить високий показник. Чавун добре підходить для виробництва всіляких виробів шляхом лиття. У цьому плані він перевершує всі сплави заліза крім деяких марок сталі.
Температура плавлення чавуну дорівнює 1200 градусам. У сталі даний показник вище на 250-300 градусів. Причина тому криється в підвищеному вмісті в чавуні вуглецю, яке обумовлює менш тісні зв 'язки між атомами заліза. Під час виплавки чавуну і його подальшої кристалізації, вуглець повною мірою не встигає впровадитися в структуру заліза. Тому матеріал виходить крихким. Структура чавуну не дозволяє використовувати його для виробництва продукції, яка постійно схильна до динамічних навантажень. А ось для чого чавун підходить ідеально, так це для деталей, які повинні володіти підвищеною міцністю.
Отримання
Отримання чавуну - вельми витратний і матеріаломісткий процес. Щоб отримати одну тонну сплаву, необхідно 550 кг коксу і 900 л води. Що стосується руди, то її кількість залежить від утримання в ній заліза. Як правило, використовується руда з масовою часткою заліза не менше 70%. Обробка менш багатих руд недоцільна з економічної точки зору.
Перш ніж відправитися на переплавку, матеріал збагачується. Виробництво чавуну в 98% випадку відбувається в доменних печах.
Технологічний процес включає в себе кілька етапів. Спочатку в доменну піч завантажується руда, до складу якої входить магнітний залізняк (з 'єднання двох- і трьохвалентного оксиду заліза). Також можуть використовуватися руди, в яких містяться водна окис заліза або його солей. Крім сировини, в піч кладуть коксівне вугілля, необхідне для створення і підтримки високої температури. Продукти горіння вугілля як відновлювачі заліза також беруть участь у хімічних реакціях.
Додатково в топку подається флюс, який грає роль каталізатора. Він прискорює процес плавлення порід і звільнення заліза. Важливо зазначити, що перш ніж потрапити в топку, руда повинна пройти спеціальну обробку. Оскільки дрібні частини краще плавляться, її попередньо подрібнюють на дробильній установці. Потім руду промивають, щоб позбутися домішок, які не містять металу. Потім сировина висушується і проходить випалювання в печах. Завдяки випалюванню з нього видаляється сірка та інші чужорідні елементи.
Після повного завантаження печі починається другий етап виробництва. Коли пальники запущені, кокс поступово розігріває сировину. При цьому виділяється вуглець, який реагує з киснем і утворює оксид. Останній бере активну участь у відновленні заліза з сполучень, що знаходяться в руді. Чим більше газу накопичується в печі, тим повільніше протікає реакція. Коли потрібна пропорція досягнута, реакція і зовсім зупиняється. Надлишок газів надалі служить паливом для підтримки необхідної температури в печі. У цього методу є кілька сильних сторін. По-перше, він дозволяє знизити витрати пального, що здешевлює виробничий процес. І, по-друге, продукти горіння не потрапляють в атмосферу, забруднюючи її, а продовжують брати участь у виробництві.
Надлишок вуглецю перемішується з розплавом і поглинається залізом. Так і виходить чавун. Домішки, які не розплавилися, спливають на поверхню суміші і видаляються. Їх називають шлаком. Шлак знаходить застосування у виробництві деяких матеріалів. Коли з розплаву видалено всі зайві частинки, до нього додають спеціальні присадки.
Різновиди
Що таке чавун і як його отримують, ми вже з 'ясували, тепер розберемося з класифікацією цього матеріалу. Описаним вище шляхом отримують передільний і ливарний чавун.
Передільний чавун використовується у виробництві сталі по киснево-конвертерному шляху. Цей вид відрізняється низьким вмістом кремнію і марганцю в сплаві. Ливарний чавун застосовують у виробництві всілякої продукції. Він ділиться на п 'ять видів, кожен з яких розглянемо окремо.
Білий
Цей сплав відрізняється вмістом надлишкової частини вуглецю у вигляді карбіду або цементиту. Назву цьому виду було дано за білий колір у місці розлому. Вміст вуглецю в такому чавуні зазвичай перевищує 3%. Білий чавун відрізняється високою крихкістю і ламкістю, тому його застосовують обмежено. Цей вид використовують для виробництва деталей простої конфігурації, які виконують статичні функції і не несуть великих навантажень.
Завдяки додаванню до складу білого чавуну легуючих присадок, можна підвищити технічні параметри матеріалу. З цією метою найчастіше використовують хром або нікель, рідше - ванадій або алюміній. Марка з подібного роду присадками отримала назву "сормайт". Вона використовується в різних пристроях як нагрівальний елемент. "Сормайт" володіє високим питомим опором, і добре працює при температурах не вище 900 градусів. Найпоширеніше застосування білого чавуну - виробництво побутових ванн.
Сірий
Це найбільш поширений різновид чавуну. Вона знайшла застосування в різних областях народного господарства. У сірому чавуні вуглець представлений у вигляді перліту, графіту або ж феррито-перліту. У такому сплаві вміст вуглецю становить близько 2,5%. Як для чавуну, цей матеріал має високу міцність, тому його використовують у виробництві деталей, які отримують циклічне навантаження. Із сірого чавуну роблять втулки, кронштейни, зубчасті шестірні та корпуси промислового обладнання.
Завдяки графіту сірий чавун знижує силу тертя і покращує дію мастил. Тому деталі з сірого чавуну мають високу стійкість до даного виду зносу. При експлуатації в особливо агресивних середовищах в матеріал вводяться додаткові присадки, що дозволяють нівелювати негативний вплив. До таких належать: молібден, нікель, хром, бор, мідь і сурьма. Ці елементи захищають сірий чавун від корозії. Крім того, деякі з них підвищують графітизацію вільного вуглецю в сплаві. Завдяки цьому створюється захисний бар 'єр, що запобігає потраплянню на поверхню чавуну руйнівних елементів.
Половинчастий
Проміжним матеріалом між двома першими різновидами є половинчастий чавун. Що міститься в ньому вуглець представлений у вигляді графіту і карбіду приблизно в рівних частках. Крім того, в такому сплаві можуть бути присутніми в незначних кількостях лідебуріт (не більше 3%) і цементит (не більше 1%). Загальний вміст вуглецю в половинчастому чавуні коливається 3,5 до 4,2%. Даний різновид застосовується для виробництва деталей, які експлуатуються в умовах постійного тертя. До таких можна віднести автомобільні гальмівні колодки, а також валки для подрібнювальних верстатів. Для ще більшого підвищення зносостійкості до сплав додають усілякі присадки.
Ковкий
Цей сплав являє собою різновид білого чавуну, який з метою графітизації вільного вуглецю піддається спеціальному випалюванню. Порівняно зі сталлю, такий чавун має покращені демпфовані властивості. Крім того, він не настільки чутливий до надрізів і добре працює в умовах низьких температур. У такому чавуні масова частка вуглецю становить не більше 3,5%. У сплаві він представлений у вигляді ферриту, зернистого перліту, що містить вкраплення графіту або феррито-перліту. Ковкий чавун, як і половинчастий, використовують в основному у виробництві деталей, що експлуатуються в умовах безперервного тертя. Для підвищення експлуатаційних характеристик матеріалу в сплав додають магній, телур і бір.
Високоміцний
Даний вид чавуну виходить внаслідок утворення в металевій решітці включень графіту кулястої форми. Через це металева основа кристалічної решітки слабшає, і сплав набуває поліпшених механічних властивостей. Утворення кулястого графіту відбувається завдяки введенню в матеріал магнію, іттрію, кальцію і церію. Високоміцний чавун близький за своїми параметрами до високовуглецевої сталі. Він непогано піддається литтю і може повністю замінити сталеві деталі механізмів. Завдяки високій теплопровідності даний матеріал може бути використаний для виготовлення трубопроводів та опалювальних пристосувань.
Труднощі промисловості
На сьогоднішній день лиття чавуну має сумнівні перспективи. Справа в тому, що через високий рівень витрат і велику кількість відходів промисловці все частіше відмовляються від чавуну на користь дешевих замінників. Завдяки швидкому розвитку науки вже давно стало можливим отримання більш якісних матеріалів при менших витратах. Серйозну роль у цьому питанні відіграє захист навколишнього середовища, який не сприймає використання доменних печей. Щоб повністю перевести виплавку чавуну на електричні печі, потрібні роки, якщо не десятиліття. Чому так довго? Тому що це дуже дорого, і далеко не кожна держава може собі це дозволити. Тому залишається лише чекати, поки налагодиться масовий випуск нових сплавів. Звичайно ж, повністю припинити промислове застосування чавуну найближчим часом не вийде. Але очевидно, що масштаби його виробництва будуть падати з кожним роком. Ця тенденція почалася ще 5-7 років тому.
Ув 'язнення
Розібравшись з питанням: "Що таке чавун?", можна зробити кілька висновків. По-перше, чавун являє собою сплав з заліза, вуглецю і присадок. По-друге, він має шість видів. По-третє, чавун досить корисний і універсальний матеріал, тому довгий час його дороге виробництво було доцільно. По-четверте, на сьогоднішній день чавун вже вважається пережитком минулого, і планомірно поступається своїми позиціями більш надійним і дешевим матеріалам.