Чугун — это железоуглеродистый сплав, в котором содержание углерода превышает 2,14 %. При таком составе металл не превращается в сталь, а образует структуру, характерную для чугуна: графит или цементит. Поэтому на вопрос «чугун — это какая сталь» правильнее ответить так: чугун — не сталь, а отдельный класс железоуглеродистых сплавов, отличающийся составом, структурой и технологией получения.
Главное отличие чугуна от стали — содержание углерода и форма его существования. В стали углерод находится в твёрдом растворе железа и может входить в состав карбидных фаз (цементита) в структуре стали. В чугуне углерод в значительной степени выделяется в виде графита либо связан в виде цементита. Это определяет свойства материала: чугун легче отливается, но чаще хрупкий, а сталь более пластична и поддаётся ковке.
В промышленности чугун выбирают там, где важны литейная точность, износостойкость и демпфирующие свойства, а сталь — когда требуется пластичность, ударная вязкость и возможность термообработки.
Из чего сделан чугун
Чугун — это сплав, в основе которого железо и углерод. Содержание углерода в чугуне обычно находится в диапазоне 2,14–4,5 %, что и отличает его от стали (в которой углерода значительно меньше).
Основные элементы состава
1) Железо
Основа материала — свыше 90 %. Железо формирует металлическую матрицу, в которой распределяются остальные компоненты.
2) Углерод
Углерод может находиться в чугуне в двух основных формах:
- Графит (в виде пластинок или шариков) — характерен для серого и высокопрочного чугуна;
- Цементит — характерен для белого чугуна.
Легирующие и регулирующие элементы
3) Кремний — обычно 1–3 %
Кремний способствует образованию графита и улучшает литейные свойства. Чем выше Si, тем легче формируется графит, что делает материал более «серым» по структуре.
4) Марганец — 0,2–1,5 %
Марганец влияет на твердость и прочность, помогает снижать вредное влияние серы.
5) Сера и фосфор — обычно до 0,1–0,3 %
Сера снижает пластичность и ухудшает литейные свойства, поэтому её стараются минимизировать. Фосфор, наоборот, повышает жидкотекучесть, но делает чугун более хрупким.
Легированные добавки
Для специальных задач в состав чугуна добавляют легирующие элементы, например:
- Хром — повышает износостойкость и коррозионную стойкость;
- Никель — улучшает ударную вязкость и стабильность структуры;
- Молибден — увеличивает прочность при высоких температурах.
Как делают чугун: процесс получения
Производство чугуна начинается с подготовки сырья и заканчивается заливкой расплава в формы. В промышленности это обычно происходит в доменной печи (для получения чугуна для стали) или в плавильных печах (для литейных марок чугуна).
Сырьё для производства
Для выплавки чугуна используют:
- железную руду (окисленные формы железа);
- кокс (в роли восстановителя и источника тепла);
- флюсы (известняк, доломит) — для удаления шлака.
Выплавка в печи
Сырьё загружают в печь слоями. В процессе нагрева:
- кокс восстанавливает оксидное железо до металлического;
- образуется расплав железа с углеродом и другими примесями;
- часть углерода поглощается металлом, формируя чугунный расплав.
В доменной печи получают чугун, который затем используется как сырьё для стали. Для литейного чугуна используются специальные печи и процессы, которые позволяют точнее контролировать состав и структуру.
Регулирование состава и модификация
После получения расплава его анализируют и корректируют состав:
- регулируют содержание углерода и кремния;
- добавляют легирующие элементы для специальных марок;
- вводят модификаторы (например, магний или редкоземельные элементы) для формирования нужной формы графита (шаровидной, пластинчатой и т.д.).
Литьё и охлаждение
Готовый расплав заливают в формы (песчаные, металлические или оболочковые). При охлаждении структура формируется в зависимости от:
- скорости охлаждения;
- состава;
- наличия легирующих элементов.
Быстрое охлаждение способствует образованию белого чугуна (цементит), медленное — серого чугуна (графит).
Термическая обработка и доводка
После отливки детали могут подвергаться:
- отжигу (например, для получения ковкого чугуна из белого);
- закалке и отпуску (для повышения прочности у некоторых марок);
- механической обработке (точение, фрезеровка) — если изделие требует точных размеров.
Виды чугунов
Чугун классифицируют по структуре графита и по способу термической обработки/легирования. Основные типы, которые наиболее востребованы в строительстве, машиностроении и инженерных системах:
1) Серый чугун
Серый чугун — наиболее распространённый тип, где углерод находится в виде пластинчатого графита.
Ключевая особенность: пластинчатый графит создаёт микротрещины, которые снижают прочность на растяжение, но повышают демпфирующие свойства и износостойкость.
Применение:
- корпуса насосов и компрессоров;
- блоки цилиндров, головки двигателей;
- корпуса и детали трубопроводной арматуры;
- стальные конструкции, где важна вибро- и шумопоглощающая способность.
ГОСТ/ТУ:
- ГОСТ 1412-85 (чугун литейный серый);
- ГОСТ 1855-91 (литейный серый чугун).
Типичные марки по ГОСТ:
- СЧ20–СЧ40 (по прочности на растяжение).
2) Белый чугун
Белый чугун характеризуется структурой, в которой углерод находится в связанном виде и не образует графит. При разрушении излом имеет светлую, почти белую поверхность, откуда и произошло название материала.
Особенности:
- высокая твердость и износостойкость;
- низкая ударная вязкость;
- плохая обрабатываемость резанием.
Применение:
- детали с интенсивным абразивным износом (бункеры, футеровка, дробильные элементы);
- подшипниковые вкладыши, где важна высокая износостойкость;
- элементы, работающие в песчаных/шламовых средах.
ГОСТ/ТУ:
- ГОСТ 1855-91 (чугун белый литейный).
3) Ковкий чугун
Ковкий чугун получают из белого чугуна после отжига (графит превращается в «кувшиновидный» или «пластинчатый» графит в зависимости от режима).
Особенности:
- более высокая пластичность, чем у серого и белого;
- лучшая ударная вязкость;
- сохраняет хорошие литейные свойства.
Применение:
- детали с комбинированной нагрузкой (сжатие + изгиб);
- зубчатые колёса, рычаги, втулки;
- элементы механизмов, где требуется ударная прочность.
ГОСТ/ТУ:
- ГОСТ 1215-79 (чугун ковкий литейный).
4) Высокопрочный (сфероидальный) чугун
Высокопрочный (сфероидальный) чугун (или сфероидальный чугун) содержит графит в виде сфероидов. Это ключевой фактор, повышающий прочность и пластичность.
Особенности:
- прочность на растяжение может достигать 600–900 МПа (в зависимости от марки);
- высокая ударная вязкость;
- хорошая обрабатываемость резанием.
Применение:
- ответственные детали машин и механизмов (валы, шестерни, рычаги);
- детали трубопроводной арматуры с динамической нагрузкой;
- опоры, кронштейны, элементы конструкций.
ГОСТ/ТУ:
- ГОСТ 7293-85 (чугун высокопрочный).
5) Специальные виды (легированные) чугуна
Специальные чугуны — это легированные сплавы, в которых свойства целенаправленно изменяют за счёт добавок хрома, никеля, молибдена, кремния и других элементов. Такие чугуны применяют в условиях, где стандартные серые или высокопрочные марки не обеспечивают требуемый ресурс.
Какие свойства получают за счёт легирования:
- повышенная износостойкость — для работы в абразивных средах;
- жаростойкость и жаропрочность — при эксплуатации при высоких температурах;
- коррозионная стойкость — при контакте с агрессивными жидкостями и газами.
Области применения:
- износостойкие легированные чугуны — дробильные элементы, футеровка бункеров, детали конвейеров;
- жаропрочные чугуны — детали печного оборудования, теплообменники;
- коррозионностойкие чугуны — насосные части и трубопроводная арматура для агрессивных сред.
ГОСТ/ТУ:
- ГОСТ 977-88 — чугуны легированные литейные.
Свойства и особенности чугуна
Чугун — материал с набором свойств, которые делают его востребованным в промышленности и строительстве. Его основные характеристики определяются структурой графита и типом чугуна (серый, белый, ковкий, высокопрочный). Ниже — ключевые свойства, важные для выбора в проекте.
Прочность (сжатие / растяжение)
- Прочность на сжатие у чугуна обычно выше, чем у стали того же класса, поэтому чугун широко используют в деталях, работающих на сжатие и изгиб.
- Прочность на растяжение у серого чугуна ниже из-за пластинчатого графита, поэтому его не используют в конструкциях, где есть высокая растягивающая нагрузка.
- Высокопрочный (сфероидальный) чугун имеет значительно более высокий предел прочности на растяжение (до 600–900 МПа по маркам и условиям производства), поэтому подходит для ответственных деталей.
Если нагрузка преимущественно на сжатие, серый чугун допустим; если есть растяжение/удары — выбирают высокопрочный или ковкий чугун.
Хрупкость
Чугун — материал с низкой ударной вязкостью, особенно серый и белый. Это означает, что при ударной нагрузке или резком перегибе он может разрушаться без заметной пластической деформации.
Применение с учётом хрупкости:
- серый чугун — в конструкциях без ударных нагрузок;
- ковкий и высокопрочный — там, где возможны динамические нагрузки и вибрация.
Износостойкость
Чугун отличается высокой износостойкостью благодаря структуре графита и общей твёрдости.
Белый чугун особенно стойкий к абразивному износу, поэтому его применяют в условиях сильного истирания.
Примеры:
- дробилки, футеровка бункеров, шламовые узлы;
- детали конвейеров и транспортёров с абразивными материалами.
Возможности обработки чугуна
- Серый чугун легко обрабатывается резанием (в том числе токарной и фрезерной обработкой).
- Белый чугун плохо поддаётся резанию из-за высокой твердости, чаще используют шлифовку или электрическую обработку.
- Ковкий и высокопрочный чугун обрабатываются сложнее, но лучше, чем белый, и требуют инструментов с высокой твёрдостью.
Тепло- и виброизоляция
Чугун обладает хорошими демпфирующими свойствами и устойчив к вибрациям, поэтому часто используется в корпусах оборудования, станинах, опорах и фундаментных плитах.
Это снижает шум и вибрацию в работе механизмов.
Что делают из чугуна
Чугун применяется там, где важны прочность на сжатие, износостойкость, демпфирующие свойства и литейная форма. Ниже — практические примеры изделий и типовые области применения:
1) Трубы и фитинги
Чугунные трубы и фитинги используются в системах водоснабжения, канализации, отопления, а также в промышленной инфраструктуре.
Преимущества: устойчивость к износу, высокая жёсткость, долговечность в агрессивных средах (в зависимости от марки).
Типовые изделия:
- трубы напорные и безнапорные;
- фасонные части (колена, тройники, переходы);
- муфты, фланцы, заглушки.
ГОСТ/ТУ:
- ГОСТ 539-2019 (трубы чугунные, в т.ч. канализационные);
- ГОСТ 9583-75 (фитинги чугунные).
2) Радиаторы и теплообменное оборудование
Чугунные радиаторы остаются востребованными за счёт:
- высокой теплоёмкости;
- стойкости к коррозии в системе отопления;
- устойчивости к гидроударам.
Примеры изделий:
- секционные радиаторы;
- теплообменники;
- коллекторные блоки.
ГОСТ/ТУ:
- ГОСТ 8691-73 (радиаторы чугунные);
- ГОСТ 8690-94 (радиаторы чугунные секционные).
3) Детали машин и механизмов
Чугун используется для изготовления деталей, где важны жёсткость, демпфирование и литейная точность.
Типовые детали:
- корпуса насосов и компрессоров;
- блоки и головки цилиндров;
- станочные плиты, корпуса редукторов;
- шестерни и зубчатые колёса (в высокопрочном чугуне).
ГОСТ/ТУ:
- ГОСТ 1412-85 (литейный чугун);
- ГОСТ 7293-85 (высокопрочный чугун).
4) Элементы инфраструктуры
Чугун применяется в строительных и инженерных конструкциях благодаря долговечности и устойчивости к нагрузкам.
Примеры:
- люки, крышки колодцев;
- ограждения и декоративные элементы;
- опоры и основания для оборудования;
- детали канализационных и водопроводных сетей.
ГОСТ/ТУ:
- ГОСТ 3634-99 (люки чугунные);
- ГОСТ 8020-90 (чугун литейный для конструкционных изделий).
5) Другие области применения
При необходимости чугун также используют в:
- сантехнике (фитинги, рамы, корпуса);
- мебели и архитектурных элементах;
- элементах подъёмного и транспортного оборудования.
Заключение
Чугун — материал с устойчивыми техническими характеристиками, который выбирают для задач, где важны прочность на сжатие, износостойкость, виброизоляция и литейная точность. Серый чугун подходит для корпусов и деталей без ударных нагрузок, белый — для абразивного износа, ковкий и высокопрочный — для динамических и ответственных узлов.
Для подбора чугуна под конкретный проект, а также для запроса прайс-листа на изделия из ассортимента компании «ВШ-РемСтройСнаб» (vshrss.ru) вы можете обратиться к нашим специалистам. Мы бесплатно подберём необходимые позиции под ваши параметры.
Владивосток: +7 (423) 205-40-91
Ростов-на-Дону: +7 (423) 205-40-91