Чугун: от «чушки» до кружева

Кто знает, как развивалось бы человечество, если бы железо встречалось в самородном виде, подобно меди или золоту. Чистое железо было в буквальном смысле подарком небес: метеориты, падающие на Землю из космоса, содержат до 90% железа. Поэтому греки называли его «сидерос» — звездный металл, египтяне — «бенипет», небесный. Чистое железо — блестящий серебристого цвета металл, мягкий, пластичный, подходящий для механической обработки. Но в таком виде оно практически не используется, так как на воздухе в присутствии влаги железо ржавеет. Оно покрывается рыхлой рыже-коричневой ржавчиной —в старину ее называли рыжей чумой — и медленно, но неотвратимо разрушается.

Иллюстрация: А. Анно

Другое дело — сплавы на основе железа: чугуны и стали. Из них изготавливают более 90% металлических конструкционных материалов, деталей машин и механизмов, производимых современной мировой промышленностью.

Получать железо из руды человек научился к концу второго тысячелетия до н. э. Руду с древесным углем плавили сначала на кострах, потом в специальных печах. В них с помощью мехов, сшитых из шкур животных, или деревянных поршневых насосов закачивали воздух, необходимый для поддержания горения. На Руси такие печи называли домницами (от древнерусского слова, означающего «дуть»). Горящий уголь нагревал руду. Железо частично восстанавливалось из оксидов, в виде которых оно находится в рудах и минералах. Окислы рудных примесей плавились и образовывали жидкие шлаки. На дне печи получалась лепешка металла, пропитанная шлаками. Ее называли крицей. Горячую крицу несколько раз проковывали. В результате получалась железная заготовка-поковка с незначительными примесями углерода (около 1%), серы, фосфора. Сплав такого состава теперь называется сталью.

Часто крица оказывалась хрупкой, не поддающейся ковке. Причина тому повышенное содержание углерода, более 2%. Ее считали браком и пренебрежительно называли чушкой. Может быть, отсюда и образовалось название высокоуглеродистого железного сплава — чугун.

Так и оставался чугун технологической ошибкой, пока кто-то не попробовал плавить его вторично. Чушки вместе со старыми ржавыми поковками укладывали на горящий уголь, металл плавился, стекал в низ печи. В результате выжигался лишний углерод и получалась крица, пригодная для ковки. Этот процесс называется кричным переделом. И по сей день передел чугуна — один из основных способов получения стали.

В наше время чугун выплавляют в домнах — огромных печах-башнях высотой с десятиэтажный дом. В домну слоями загружается шихта смесь высококачественного угля — кокса, измельченной железной руды и флюсов, то есть веществ, расплавляющих тугоплавкие оксиды рудных примесей. Восстановление железа идет так: 3Fе₂O₃+CO=2Fе₃O₄+CO₂, Fе₃O₄+CO=3FеO+CO₂, FeO+CO=Fe+CO₂. Одновременно образуются карбиды железа: 3Fe+2СО=Fе₃С+СO₂, 3Fе+С=Fе₃С. Из оксидов рудных примесей восстанавливаются и другие элементы: марганец, кремний, фосфор. Флюсы, например известняк CaCO₃ или доломит CaCO₃⋅MgCO₃, при плавлении образуют с примесями легкие шлаки. Они всплывают на поверхности жидкого чугуна и легко отделяются от него.

Доменные печи работают непрерывно. Расплавленное железо стекает вниз, проходит через слой раскаленного кокса, насыщается углеродом и превращается в чугун. Выпускают готовый чугун горновые — так называют рабочих у горна, нижней части печи. В нужный момент вынимают керамическую заглушку и... Небывало яркий, искрящийся, шипящий поток металла, вырвавшись на свободу, водопадом льется в огромные ковши. Затем отверстие снова закрывают, и начинается новая плавка. Чугун, который идет на выплавку стали — а это примерно 80%, — называется передельным, или белым. Тот, которому уготована самостоятельная жизнь, серым, или литьевым.

Чугун — материал твердый, но хрупкий, раскалывается при ударах. Его нельзя ковать. При затвердении он не сжимается, как другие металлические сплавы, а расширяется. Поэтому чугун — непревзойденный материал для литья, в том числе художественного. Пластичный, он легко заполняет собой любую, сколь угодно сложную форму.

Неповторим «оград узор чугунный» Петербурга, воспетый А.С. Пушкиным. Легкая, кружевная решетка Летнего сада, ажурная, почти воздушная ограда Шереметьевского дворца, в которую вписаны изящные колокольчики, строгие узорчатые ворота Русского музея с парящими листьями лавра — это шедевры чугунного литья.

Во всем мире известно каслинское литье. Работы мастеров из небольшого уральского городка Касли — мебель, статуэтки, скульптуры, решетки — называют «музыкой застывшего металла». Начало было положено купцом Яковом Коробковым, который в 1747 году основал завод по производству сначала железа, а потом фигурного литья из чугуна. Международное признание каслинцы получили в 1900 году на Всемирной выставке в Париже. Высшей награды удостоился центральный экспонат России отлитый из чугуна павильон в виде великолепного шатра, увенчанного короной. Стены были образованы сквозным орнаментом с изображением персонажей русских сказаний, былин и легенд, фантастических драконов, вещих птиц, небывалых растений и трав. Парижане, покоренные необыкновенной красотой, просили на память кусочки чудо-металла чугуна. Сейчас этот павильон — украшение музея изобразительных искусств Екатеринбурга.

В технике использование чугуна обусловлено его относительной дешевизной и хорошей демпфирующей способностью свойством гасить вибрации и рассеивать колебания при значительных переменных нагрузках. Из него изготавливают станины, коленчатые и распределительные валы, зубчатые колеса, цилиндры двигателей внутреннего сгорания.