Производство литейного чугуна

Чугун человечество научилось получать с наступлением железного века в IX—VII века до н. э. Для этих целей использовался сыродутный горн – вертикальное сооружение в виде трубы высотой до 2 метров, выложенное из обожженной глины, и расположенное, как правило, у подножия холма. Это повышало тягу внутри горна и упрощало загрузку материала в шихту (основное рабочее пространство). В качестве поддувала использовалась всегда открытая шлаковая лётка. Все вариации этой конструкции называют шахтными печами, они работают на естественной тяге, восстанавливая железо из оксидов руды, в среде, богатой монооксидом углерода. Последний получался путём сжигания древесного угля, как для первоначального разогрева сооружения, так и в процессе выплавки. В виде добавки к засыпаемой руде.

Естественная тяга не обеспечивала большой интенсивности горения, температура находилась в пределах 1000-1200^оС, эффективность переработки руды составляла 50-60%, а выход готовой продукции – до 1,5 тонн в сутки. Железо получалось губчатым, с примесями шлака, с низким содержанием углерода из-за невозможности качественного плавления (слишком низкой температуры), такой сорт называется крица.

Используя энергию движения водяных колёс, стало возможным организовать принудительную вентиляцию горна, повысив температуру в нём. В ХIII веке в Италии был изобретён каталонский горн, сделавший процесс плавки непрерывным, что резко повысило как объёмы производства, так и качество получаемого чугуна – содержание углерода доходило до 4,3%, следовательно, температура плавления снижалась до 1147^оС, что значительно упрощало дальнейшую обработку. В XVI веке, при Иване Грозном, в России производством чугуна уже занималась сеть фабрик, отвечая на растущие потребности оружейной и строительной промышленности. Россия к XVIII в. заняла лидирующее мировое положение в чугунолитейной отрасли, экспортируя за рубеж значительные для мирового рынка объёмы отливок.

Внутри страны развитие производства развивалось медленно, из-за разнесённости в пространстве металлургических предприятий (размещались непосредственно на местах добычи руды) и машиностроительных, которые строились рядом с городами, для обеспечения рабочей силой. В конце XIX века был взят курс на совмещение двух типов производств, с образованием вокруг них городского агломерата. В Советском Союзе этот подход стал основой политики развития промышленности, равно как и акцент на научной основе металлургии – было основано множество профильных институтов, готовящих кадры и проводящих исследования.

Классификация чугунов

Чугун делится на три класса: литейный, специальный и передельный. Последние два типа предназначены для последующей переработки в сталь. Литейный чугун отправляется на машиностроительные заводы для производства цельных литых деталей.

По составу различают четыре вида чугуна: серый, ковкий белый, высокопрочный и легированный.

Серый чугун, помимо кремния и углерода, содержит много примесей, таких как фосфор, марганец, сера. Но главной особенностью является повышенное содержание графита. Он снижает прочность чугуна, повышая его дисперсность. С другой стороны, это делает серый чугун легким в обработке механическими способами.

В высокопрочном чугуне под действием высоких температур графит изменяет свою структуру на шаровидную, становясь, наоборот, упрочняющим компонентом. При этом сохраняется пластичность, что делает этот вид чугуна идеальным выбором для производства недорогих деталей, обладающих высокой прочностью и износоустойчивостью.

Весь углерод в составе белого чугуна связывается в цементит. На срезе этот чугун матовый, белого цвета, напоминающий мучную посыпку. Цементит повышает прочность на сжатие – растяжение, в то же время, делая чугун хрупким, малопригодным для шлифовки и точки.

Чтобы понизить содержание графита, белый чугун отжигают, получая чугун ковкий, применяемый для мелких отливок с тонкими стенками. Из минусов – сложность и дороговизна его получения, необходимость повышенных затрат времени при производстве деталей, что делает работу с ковким чугуном малоперспективной.

Легированный чугун может быть ориентирован на сопротивление к высоким температурам, износу, коррозии или быть антифрикционным. Износостойкие сорта чугуна применяют для отливки деталей и инструментах, испытывающих абразивные воздействия. В качестве легирующих добавок используется медь, титан, ванадий. Антифрикционные сорта используют для изготовления тормозных дисков, цилиндров автомобилей.

Современная технология работы с чугуном

Для нужд металлургии чугун выплавляют в доменных печах. Железо получают двухступенчатым способом (руда – чугун – сталь), что, в отличии от одноступенчатого (руда – железо) позволяет получать высоуглеродистые стали, а доля переработки руды достигает 100%.

Отливки из чугуна обрабатывают термическими методами.

Для снятия внутреннего напряжения, особенно серого чугуна, используют отжиг – медленный нагрев до 570^оС с последующим воздушным охлаждением. Если при этом выдержка при максимальной температуре составляет несколько часов, говорят о мягком отжиге, повышающем пластичность и обрабатываемость.

Закалка чугуна нормализует его структуру, повышая прочность, особенно небольших деталей. Для этого материал нагревают до 860-900^оС, выдерживая при этой температуре 3 часа, с последующим водяным или масляным охлаждением. После закалки проводят отпуск при 320^оС, выдерживая от 12 до 90 минут, в зависимости от размера детали. Наилучшие результаты показывают характеристики деталей, охлаждаемых в размягченной соли.

Если требуется прочный верхний слой изделия, с сохранением пластичной структуры сердцевины, закалку делают импульсно, резко охлаждая заготовку в проточной холодной воде.

Для нормализации также необходимо провести старение чугуна. В естественных условиях, путем отлёживания на складе, этот процесс занимает 7-16 месяцев, а обработкой на вибрационном станке время можно сократить до 5-10 часов.