Чугун

Чугун — это класс железоуглеродистых сплавов с содержанием углерода более 2% и содержанием кремния около 1–3%. Его полезность обусловлена ​​его относительно низкой температурой плавления. Легирующие элементы определяют форму, в которой находится его углерод: в белом чугуне углерод объединен в карбид железа, называемый цементитом, который очень твердый, но хрупкий, так как он позволяет трещинам проходить насквозь; в сером чугуне есть графитовые чешуйки, которые отклоняют проходящую трещину и инициируют бесчисленное множество новых трещин по мере разрушения материала, а в ковком чугуне есть сферические графитовые «узлы», которые останавливают дальнейшее развитие трещины.

Углерод (C), от 1,8 до 4% по весу и кремний (Si), 1–3% по весу, являются основными легирующими элементами чугуна. Сплавы железа с более низким содержанием углерода известны как сталь.

Чугун, как правило, хрупкий, за исключением ковких чугунов. Благодаря своей относительно низкой температуре плавления, хорошей текучести, литейным свойствам, превосходной обрабатываемости, стойкости к деформации и износостойкости, чугуны стали конструкционным материалом с широким спектром применения и используются в трубах, машинах и деталях автомобильной промышленности, таких как головки цилиндров, блоки цилиндров и корпуса коробок передач. Некоторые сплавы устойчивы к повреждениям, вызванным окислением. В целом, чугун, как известно, трудно сваривать.

Самые ранние чугунные артефакты датируются V веком до нашей эры и были обнаружены археологами на территории современной провинции Цзянсу в Китае. Чугун использовался в древнем Китае для ведения войны, сельского хозяйства и архитектуры. В XV веке нашей эры чугун стали использовать для пушек в Бургундии, Франция, и в Англии во время Реформации. Количество чугуна, используемого для пушек, требовало крупномасштабного производства. 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.

Производство

Чугун изготавливается из чугуна, который является продуктом плавки железной руды в доменной печи. Чугун можно производить непосредственно из расплавленного чугуна или путем переплавки чугуна, 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 добавляют другие элементы перед получением окончательной формы путем литья.

Иногда чугун плавят в доменной печи особого типа, известной как вагранка, но в современных применениях его чаще всего плавят в электрических индукционных печах или электродуговых печах. После завершения плавки расплавленный чугун выливают в раздаточную печь или ковш.

Типы

Легирующие элементы

Свойства чугуна изменяются путем добавления различных легирующих элементов или присадок. После углерода кремний является наиболее важным легирующим веществом, 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, образуя графит и производя серый чугун. Другие легирующие агенты, марганец, хром, молибден, титан и ванадий, противодействуют кремнию и способствуют удержанию углерода и образованию этих карбидов. Никель и медь повышают прочность и обрабатываемость, но не изменяют количество образующегося графита. Углерод в виде графита делает железо более мягким, уменьшает усадку, снижает прочность и плотность. Сера, которая, если она присутствует, в основном является загрязнителем, образует сульфид железа, который предотвращает образование графита и увеличивает твердость. Сера делает расплавленный чугун вязким, что приводит к появлению дефектов. Чтобы нейтрализовать воздействие 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.

Никель является одним из наиболее распространенных легирующих элементов, поскольку он улучшает перлитную и графитовую структуры, улучшает прочность и выравнивает разницу в твердости между толщинами секций. Хром добавляют в небольших количествах для уменьшения свободного графита, получения отбела и потому, что он является мощным стабилизатором карбида; никель часто добавляют в сочетании. Небольшое количество олова можно добавить в качестве замены 0,5% хрома. Медь добавляют в ковш или в печь, порядка 0,5–2,5%, чтобы уменьшить отбел, очистить графит и повысить текучесть. Молибден добавляют в количестве порядка 0,3–1%, чтобы увеличить отбел и очистить графитовую и перлитную структуры; его часто добавляют в сочетании с никелем, медью и хромом для образования высокопрочных чугунов. Титан добавляют в качестве дегазатора и раскислителя, но он также повышает текучесть. Ванадий в количестве 0,15–0,5% добавляют в чугун для стабилизации цементита, повышения твердости, повышения износостойкости и жаропрочности. Цирконий в количестве 0,1–0,3% способствует образованию графита, раскислению и повышению текучести.

В расплавы ковкого чугуна висмут добавляют в количестве 0,002–0,01%, чтобы увеличить количество добавляемого кремния. В белый чугун бор добавляют для облегчения производства ковкого чугуна; он также снижает эффект огрубления висмута.

Серый чугун

Серый чугун характеризуется графитовой микроструктурой, из-за которой трещины материала имеют серый вид. Это наиболее часто используемый чугун и наиболее широко используемый литой материал по весу. Большинство чугунов имеют химический состав 2,5–4,0% углерода, 1–3% кремния, а остальное — железо. Серый чугун имеет меньшую прочность на растяжение и ударопрочность, чем сталь, но его прочность на сжатие сопоставима 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.

Белый чугун

Белый чугун имеет белые изломы поверхности из-за присутствия осадка карбида железа, называемого цементитом. При более низком содержании кремния (графитизирующего агента) и более высокой скорости охлаждения углерод в белом чугуне выделяется из расплава в виде метастабильной фазы цементита, Fe₃C, а не графита. Цементит, который выделяется из расплава, образуется в виде относительно крупных частиц. По мере выделения карбида железа он извлекает углерод из исходного расплава, перемещая смесь в сторону той, которая ближе к эвтектике, а оставшаяся фаза представляет собой аустенит с низким содержанием железа и углерода (который при охлаждении может трансформироваться в мартенсит). Эти эвтектические карбиды слишком велики, чтобы обеспечить преимущество так называемого дисперсионного твердения (как в некоторых сталях, где гораздо более мелкие выделения цементита могут препятствовать [пластической деформации], препятствуя движению дислокаций через матрицу чистого феррита железа). Скорее, они увеличивают объемную твердость чугуна просто в силу своей собственной очень высокой твердости и существенной объемной доли, так что объемную твердость можно аппроксимировать правилом смесей. В любом случае, они обеспечивают твердость за счет прочности. Поскольку карбид составляет большую часть материала, белый чугун можно было бы разумно классифицировать как кермет. Белый чугун слишком хрупок для использования во многих структурных компонентах, но с хорошей твердостью и стойкостью к истиранию и относительно низкой стоимостью он находит применение в таких областях, как поверхности износа (рабочее колесо и улитка) шламовых насосов, футеровки оболочки и подъемные штанги в шаровых мельницах и мельницах самоизмельчения, шары и кольца в угольных измельчителях.

Трудно охлаждать толстые отливки достаточно быстро, чтобы расплав полностью затвердел как белый чугун. Однако быстрое охлаждение можно использовать для затвердевания оболочки из белого чугуна, после чего остаток остывает медленнее, образуя ядро ​​из серого чугуна. Полученная отливка, называемая отбеленной отливкой, имеет преимущества твердой поверхности с несколько более жесткой внутренней частью.

Высокохромистые белые чугунные сплавы позволяют производить литье в песчаные формы массивных отливок (например, 10-тонного рабочего колеса), поскольку хром снижает скорость охлаждения, необходимую для образования карбидов через большую толщину материала. Хром также производит карбиды с впечатляющей стойкостью к истиранию. Эти высокохромистые сплавы приписывают свою превосходную твердость присутствию карбидов хрома. Основной формой этих карбидов являются эвтектические или первичные карбиды M₇C₃, где «M» представляет железо или хром и может варьироваться в зависимости от состава сплава. Эвтектические карбиды образуются в виде пучков полых шестиугольных стержней и растут перпендикулярно шестиугольной базовой плоскости. Твердость этих карбидов находится в диапазоне 1500-1800HV.

Ковкий чугун

Ковкий чугун начинается с отливки из белого чугуна, которая затем подвергается термической обработке в течение дня или двух при температуре около 950 °C (1740 °F), а затем охлаждается в течение дня или двух. В результате углерод в карбиде железа превращается в графит и феррит плюс углерод. Медленный процесс позволяет поверхностному натяжению формировать графит в сфероидальные частицы, а не чешуйки. Из-за их более низкого соотношения сторон сфероиды относительно короткие и далеко расположены друг от друга, а также имеют меньшее поперечное сечение по отношению к распространяющейся трещине или фонону. Они также имеют тупые границы, в отличие от чешуек, что смягчает проблемы концентрации напряжений, обнаруженные в сером чугуне. В целом свойства ковкого чугуна больше похожи на свойства мягкой стали. Существует ограничение на то, насколько большую деталь можно отлить из ковкого чугуна, поскольку он изготовлен из белого чугуна.

Ковкий чугун

Разработанный в 1948 году, шаровой или ковкий чугун имеет свой графит в форме очень маленьких узелков с графитом в форме концентрических слоев, образующих узелки. В результате свойства ковкого чугуна такие же, как у губчатой ​​стали без эффектов концентрации напряжений, которые могли бы создавать чешуйки графита. Процент присутствующего углерода составляет 3-4%, а процент кремния — 1,8-2,8%. Небольшие количества магния от 0,02 до 0,1% и только церия от 0,02 до 0,04%, добавленные в эти сплавы, замедляют рост осадков графита, связываясь с краями графитовых плоскостей. Наряду с тщательным контролем других элементов и времени, это позволяет углероду отделяться в виде сфероидальных частиц по мере затвердевания материала. Свойства аналогичны свойствам ковкого чугуна, но детали могут быть отлиты с более крупными сечениями.

Таблица сравнительных качеств чугунов

История

Чугун и кованое железо могут быть получены непреднамеренно при плавке меди с использованием железной руды в качестве флюса.: 47–48

Самые ранние чугунные артефакты датируются V веком до нашей эры и были обнаружены археологами на территории современного уезда Лухэ провинции Цзянсу в Китае в период Воюющих царств. Это основано на анализе микроструктур артефакта.

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 заливался в формы для изготовления лемехов и горшков, а также оружия и пагод. Хотя сталь была более востребована, чугун был дешевле и поэтому чаще использовался для орудий в Древнем Китае, в то время как кованое железо или сталь использовались для оружия. Китайцы разработали метод отжига чугуна, выдерживая горячие отливки в окислительной атмосфере в течение недели или дольше, чтобы выжечь некоторое количество углерода вблизи поверхности и не допустить, чтобы поверхностный слой был слишком хрупким.: 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.

Технология литья чугуна была перенесена на Запад из Китая. Аль-Казвини в XIII веке и другие путешественники впоследствии отметили железную промышленность в горах Альбурц к югу от Каспийского моря. Это близко к шелковому пути, так что использование технологии, полученной из Китая, возможно. После ее появления на Западе в XV веке она использовалась для пушек и ядер. Генрих VIII (правил в 1509–1547 годах) инициировал литье пушек в Англии. Вскоре английские металлурги, используя доменные печи, разработали технологию производства чугунных пушек, которые, хотя и были тяжелее преобладающих бронзовых пушек, были намного дешевле и позволили Англии лучше вооружить свой флот.

Чугунные горшки изготавливались во многих английских доменных печах того времени. В 1707 году Авраам Дарби запатентовал новый метод изготовления горшков (и котлов) тоньше и, следовательно, дешевле, чем те, которые изготавливались традиционными методами. Это означало, что его печи Coalbrookdale стали доминирующими поставщиками горшков, и в этой деятельности к ним в 1720-х и 1730-х годах присоединилось небольшое количество других доменных печей, работающих на коксе.

Применение парового двигателя для питания воздуходувных мехов (косвенно путем перекачивания воды в водяное колесо) в Британии, начавшееся в 1743 году и усилившееся в 1750-х годах, стало ключевым фактором в увеличении производства чугуна, которое резко возросло в последующие десятилетия. Помимо преодоления ограничения на гидроэнергию, паровой насосный воздуходув давал более высокие температуры в печи, что позволяло использовать более высокие соотношения извести, что позволяло переходить с древесного угля (запасы древесины для которого были недостаточными) на кокс.: 122

Металлурги Уилда продолжали изготавливать чугун до 1760-х годов, а после Реставрации основным применением железа стало производство оружия.

Чугунные мосты

Использование чугуна в строительных целях началось в конце 1770-х годов, когда Авраам Дарби III построил Железный мост, хотя короткие балки уже использовались, например, в доменных печах в Коулбрукдейле. Затем последовали другие изобретения, включая изобретение, запатентованное Томасом Пейном. Чугунные мосты стали обычным явлением по мере того, как набирала обороты промышленная революция. Томас Телфорд использовал этот материал для своего моста выше по течению в Билдвасе, а затем для акведука Лонгдон-он-Терн, канального желобчатого акведука в Лонгдон-он-Терн на канале Шрусбери. За ним последовали акведук Чирк и акведук Понткисиллте, оба из которых остаются в эксплуатации после недавних реставраций.

Лучшим способом использования чугуна для строительства моста было использование арок, так что весь материал находился в сжатии. Чугун, опять же, как и каменная кладка, очень прочен при сжатии. Кованое железо, как и большинство других видов железа и, конечно, как большинство металлов в целом, прочно при растяжении, а также прочно – устойчиво к трещинам. Связь между кованым железом и чугуном, в структурных целях, можно рассматривать как аналогичную связи между деревом и камнем.

Чугунные мосты с балками широко использовались на ранних железных дорогах, например, мост Уотер-стрит в 1830 году на конечной станции Манчестера Ливерпульско-Манчестерской железной дороги, но проблемы с его использованием стали слишком очевидными, когда новый мост, несущий Честерскую и Холихедскую железную дорогу через реку Ди в Честере, рухнул, убив пять человек в мае 1847 года, менее чем через год после его открытия. Катастрофа моста Ди была вызвана чрезмерной нагрузкой в ​​центре балки проходящим поездом, и многие подобные мосты пришлось снести и перестроить, часто из кованого железа. Мост был плохо спроектирован, скреплен коваными железными ремнями, которые, как ошибочно считалось, усиливали конструкцию. Центры балок были подвергнуты изгибу, а нижний край был натянут, где чугун, как и каменная кладка, очень слаб.

Тем не менее, чугун продолжали использовать ненадлежащим образом, пока катастрофа на мосту Тэй-Рейл в 1879 году не поставила под сомнение использование этого материала. Основные выступы для крепления стяжек и стоек на мосту Тэй были отлиты заодно с колоннами, и они вышли из строя на ранних стадиях аварии. Кроме того, отверстия для болтов также были отлиты, а не просверлены. Таким образом, из-за угла наклона литья напряжение от стяжек было размещено на краю отверстия, а не распределено по всей длине отверстия. Новый мост был построен из кованого железа и стали.

Однако произошло еще несколько обрушений мостов, кульминацией которых стала железнодорожная катастрофа на Норвуд-Джанкшен в 1891 году. К 1900 году тысячи чугунных подземных переходов были заменены стальными аналогами из-за широко распространенной обеспокоенности по поводу чугунных подмостовых переходов на железнодорожной сети Великобритании.

Здания

Чугунные колонны, впервые примененные в зданиях мельниц, позволили архитекторам строить многоэтажные здания без чрезвычайно толстых стен, необходимых для каменных зданий любой высоты. Они также открыли площади на фабриках и обзорные линии в церквях и аудиториях. К середине 19 века чугунные колонны были распространены 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 многочисленные примеры. Он также иногда использовался для полностью сборных зданий, таких как историческое здание Iron Building в Уотервлите, Нью-Йорк.

Текстильные фабрики

Другое важное применение было на текстильных фабриках. Воздух на фабриках содержал горючие волокна из хлопка, пеньки или шерсти, которые пряли. В результате текстильные фабрики имели тревожную склонность к возгоранию. Решением было построить их полностью из негорючих материалов, и было сочтено удобным снабдить здание железным каркасом, в основном из чугуна, заменив горючее дерево. Первое такое здание было в Дитерингтоне в Шрусбери, Шропшир. 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.

Во время промышленной революции чугун также широко использовался для изготовления рам и других фиксированных частей машин, включая прядильные и позднее ткацкие станки на текстильных фабриках. Чугун стал широко использоваться, и во многих городах появились литейные заводы, производившие промышленные и сельскохозяйственные машины.