Чугун - сплав железа с углеродом более 2,14 % C; хрупкий, но литейный и стойкий к износу - из него льют фитинги, задвижки, канализационные трубы.
Суть
Граница между сталью и чугуном проходит по содержанию углерода: 2,14 % C - предельная растворимость углерода в аустените (точка E диаграммы железо-углерод). Ниже этой отметки сплав можно нагреть до однофазного аустенита и ковать или катать - это сталь. Выше углерод уже не растворяется целиком, и при кристаллизации выделяется либо цементит Fe₃C (белый чугун), либо свободный графит (серый, ковкий, высокопрочный чугун).
Именно графитовые включения определяют характер материала. Они разрывают металлическую основу, работают как внутренние надрезы - отсюда низкая пластичность (δ у серого чугуна практически нулевая) и малая ударная вязкость. Зато графит гасит вибрацию, служит смазкой при трении и делает стружку ломкой, поэтому чугун хорошо обрабатывается резанием и не «задирает» пару трения.
Второе преимущество - литейность. Промышленные чугуны содержат 2,4-3,8 % C и 1-3 % Si, их состав близок к эвтектике (4,3 % C, 1147 °C), поэтому плавятся на 250-300 °C ниже стали, жидкотекучи и дают малую усадку. Сложную фасонную деталь - корпус задвижки, тройник, раструбную трубу - из чугуна отлить проще и дешевле, чем выточить или сварить из стали. Обратная сторона: обычный чугун практически не сваривается и не деформируется давлением.
Виды
Чугуны различают по форме графита и структуре металлической основы; форма графита закладывается при плавке (модифицирование) или последующим отжигом.
- Белый чугун - углерод связан в цементит; очень твёрдый (HB 450-550), хрупкий, не обрабатывается резанием. Применяется как отбелённый слой износостойких деталей и как сырьё для ковкого чугуна.
- Серый чугун (СЧ, ГОСТ 1412-85) - пластинчатый графит; марки СЧ10-СЧ35, цифра - временное сопротивление σв в кгс/мм². Самый массовый и дешёвый литейный сплав: станины, корпуса, канализационные трубы.
- Ковкий чугун (КЧ, ГОСТ 1215-79) - хлопьевидный графит, получаемый длительным отжигом белого чугуна; марки КЧ30-6 … КЧ80-1,5 (σв, кгс/мм² и δ, %). Пластичнее серого; из него льют резьбовые фитинги.
- Высокопрочный чугун (ВЧ, ГОСТ 7293-85) - шаровидный графит после модифицирования магнием; марки ВЧ35-ВЧ100. По прочности и пластичности приближается к стали, поэтому из него делают напорные трубы (ВЧШГ) и ответственную арматуру.
Металлическая основа у всех графитных чугунов может быть ферритной, феррито-перлитной или перлитной: чем больше перлита, тем выше твёрдость и σв, но ниже пластичность. Легирование хромом, никелем, кремнием даёт специальные чугуны - жаростойкие, коррозионностойкие, износостойкие.
Ключевые числа
| Граница сталь / чугун | 2,14 % C - точка E диаграммы Fe-C, предел растворимости углерода в аустените при 1147 °C |
|---|---|
| Эвтектика (ледебурит) | 4,3 % C, 1147 °C |
| Углерод в промышленных чугунах | 2,4-3,8 % C; кремний 1-3 % Si (графитизатор) |
| Серый чугун СЧ10-СЧ35 (ГОСТ 1412-85) | σв ≥ 100 … ≥ 350 МПа; СЧ20 - σв ≥ 200 МПа, HB 170-241 |
| Ковкий чугун КЧ30-6 … КЧ80-1,5 (ГОСТ 1215-79) | σв 300-800 МПа; δ 1,5-12 % |
| Высокопрочный чугун ВЧ35 (ГОСТ 7293-85) | σв ≥ 350 МПа, σ0,2 ≥ 220 МПа, δ ≥ 22 % |
| Высокопрочный чугун ВЧ50 (ГОСТ 7293-85) | σв ≥ 500 МПа, σ0,2 ≥ 320 МПа, δ ≥ 7 % |
| Плотность серого чугуна | 7,0-7,2 г/см³ (у стали ≈ 7,85 г/см³) |
Где встречается в трубах
В трубопроводах чугун - не материал труб под давление в общем случае, а материал литой обвязки: задвижек, клапанов, фланцевых и резьбовых фитингов, чугунных секций и раструбных труб самотёчной канализации. Стальная труба и чугунная арматура сходятся на резьбе или фланце - при этом важно, что стальную часть варят, а чугунную нет.
- Резьбовые фитинги из ковкого чугуна (ГОСТ 8944-75 и связанные) ставят на водогазопроводные трубы по ГОСТ 3262-75; о резьбе - в статье резьбовые соединения труб.
- Канализационные раструбные трубы из серого чугуна (ГОСТ 6942-98) и напорные трубы из ВЧШГ - альтернатива стальным электросварным трубам в безнапорных и водопроводных сетях.
- Чугунная арматура на стальном трубопроводе - узел, где стыкуются два разных сплава: см. свариваемость и коррозию.
- Марки сталей для труб и их отличие от литейных сплавов - в статье стали для труб; нормативы - в библиотеке стандартов.
Связанные термины
- СтальСплав железа с углеродом (до 2,14 % C) и другими элементами; основной конструкционный материал для труб.
- Железо и углеродОснова любой стали: железо задаёт пластичность и свариваемость, углерод - прочность и твёрдость.