Температура плавления чугуна¶

Температура плавления чугуна — это температурный интервал, в котором сплав железа с углеродом (содержание углерода 2,14–4,5 %) переходит из твёрдого состояния в жидкое. В отличие от чистых металлов, обладающих строго определённой точкой плавления, чугун как многокомпонентная система плавится в диапазоне температур. Нижняя граница интервала (температура солидуса) для обычного серого чугуна составляет около 1150–1200 °C, верхняя (температура ликвидуса) — около 1200–1300 °C. Наиболее распространённый перлитно-ферритный серый чугун СЧ15 (ГОСТ 1412–85) начинает плавиться при 1150–1200 °C и полностью расплавляется при 1200–1250 °C.

¶Факторы, влияющие на температуру плавления

Температура плавления чугуна зависит прежде всего от химического состава сплава.

¶Содержание углерода

Углерод выступает основным легирующим элементом, снижающим температуру плавления железа. Чистое железо плавится при 1538 °C, тогда как эвтектический состав системы Fe–C (4,3 % углерода) начинает плавиться при 1147 °C — это минимальная температура плавления в системе. При увеличении содержания углерода от 2,14 % (граница стали и чугуна) до 4,3 % температура солидуса постепенно снижается. Дальнейшее повышение содержания углерода до 6,67 % (цементит) приводит к росту температуры плавления.

¶Кремний

Кремний, содержащийся в чугунах в количестве 1–3 %, также снижает температуру плавления, но менее эффективно, чем углерод. Кремний является графитизирующим элементом — он способствует выделению углерода в свободной форме (графите), что сдвигает состав сплава к эвтектике и уменьшает интервал кристаллизации.

¶Марганец и примеси

Марганец (0,5–1,2 %) образует с углеродом карбид марганца и несколько повышает температуру кристаллизации. Сера и фосфор, присутствующие в чугунах в небольших количествах, образуют низкоплавкие эвтектики: фосфорная эвтектика Fe–Fe₃P плавится при 950–1050 °C, что может заметно снизить общую температуру плавления при высоком содержании фосфора (выше 0,3 %).

¶Различия между видами чугунов

Температура плавления зависит от того, какой вид чугуна рассматривается.

Белый чугун за счёт большего количества связанного углерода (цементита) имеет несколько более узкий интервал плавления, чем серый. Высокопрочный чугун с шаровидным графитом по химическому составу близок к серому, и его температура плавления практически совпадает.

¶Температура заливки и литьё

Практическое значение имеет не только температура плавления, но и температура заливки — температура, при которой жидкий чугун разливают в формы. Она обычно на 100–200 °C выше температуры ликвидуса и составляет 1300–1450 °C в зависимости от вида чугуна и сложности отливки. Слишком низкая температура заливки приводит к недоливу, газовым порам и холодным скважинам; слишком высокая — к пригару металла к форме, усадочным раковинам и износу печей.

Плавление чугуна осуществляется в плавильных печах двух основных типов:

• Доменные печи — получение чугуна из руды непосредственно в металлургии; продукт называется «доменный чугун».
• Купольные и индукционные печи — переплавка вторичного чугунного лома для литья; в индукционных печах чугун плавят при 1400–1500 °C для разогрева до температуры заливки.

¶Интересные факты

• Температура плавления чугуна примерно на 300–350 °C ниже, чем у чистого железа, что исторически обусловило появление доменного производства: чугун выплавлялся при достижимых для средневековых печей температурах (около 1200–1300 °C), в то время как выплавка кованого железа требовала более высоких температур и сложной технологии продувки.
• В системе Fe–C существует две эвтектики: лейцитная при 1147 °C (4,3 % углерода) и стабильная графитовая при 1152 °C (4,26 % углерода). Разница в 5 °C объясняется различием между метастабильной системой Fe–Fe₃C и стабильной системой Fe–C (графит).
• Чугун относится к числу материалов с наиболее низкой температурой плавления среди конструкционных сплавов железа, что делает его одним из самых экономичных материалов для литья.

¶Применение

Знание температуры плавления чугуна необходимо при проектировании литейных процессов, выборе огнеупорной футеровки печей, расчёте режимов нагрева и определении времени подготовки металла. Чугун широко применяется для изготовления корпусных отливок: блоков и головок цилиндров двигателей, корпусов насосов и вентилей, станочных рам, плит, труб, ванн и колёсных дисков.

¶Источники

• ГОСТ 1412–85. Чугун серый с шаровидными и пластинчатыми графитовыми включениями. Технические условия.
• ГОСТ 7293–85. Чугун белый. Технические условия.
• Пузырёв Н. Н. Материаловедение. — М.: Высшая школа, 2005.
• Балашов И. М. Металловедение и термическая обработка чугуна и стали. — М.: Металлургия, 1978.
• Попов А. А. Металловедение. — М.: Металлургия, 1988.