Каким свойством обладает серый чугун

Чугун – это сплав железа и углерода. Один из самых широко распространенных видов – это серый чугун. Объем углерода в его составе превышает 2,14% и содержится в диапазоне от 2,4 до 4,2%.

Свое название материал получил по цвету излома, имеющего серый цвет.

По сути, это литьевой чугун с вкраплениями пластинчатого графита. Но и, тем не менее, его продолжают называть серым. Кстати, такой же цвет можно увидеть и на изломе ковкого чугуна. Металлурги установили зависимость между объемом свободного углерода, но не от его формы.

В сером чугуне углерод по мере охлаждения приобретает форму хлопьевидных или пластинчатых вкраплений. Разница между чугуном и сталью заключена в объеме углерода. Углерод абсолютно полностью растворяется в стали и не содержится в виде вкраплений, в сером чугуне содержатся вкрапления углерода называемыми графитом.

Основные характеристики

Чугун широко распространен и востребован черной металлургией. Его производят путем воссоздания железной руды при поддержке углеродного топлива (кокса). В процессе реакции восстановления, полученный расплав получает дополнительную порцию углерода.

Именно, объем углерода, находящийся в свободном состоянии, определяет механические параметры этого чугуна. Одно из свойств, позволяющее применять этот материал не только как передельный металл, но и как литьевой – это довольно высокие литейные качества и малая усадка при застывании отливки. У серого чугуна отмечается высокая текучесть, и это позволяет отливать довольно сложные изделия.

Существует и ограничение на применение изделий полученных из этого чугуна – оно обусловлено тем, этот материал имеет невысокую прочность на изгиб и высокую хрупкость. Но с другой стороны, его отличает высокая прочность на сжатие.

Этот материал отличает и стойкость к износу. Это допускает применять его в узлах, работающих в условиях высокого трения. В таких условиях сильное воздействие оказывают антифрикционные параметры серого чугуна.

Большой объем углерода понижает плотность серого чугуна, она равна от 6,8 до 7,3 тонны на м3.

Включения углерода не позволяют выполнять неразъемные соединения из заготовок, выполненных из серого чугуна, с помощью сварки. Но, тем не менее, разработаны и применяют технологии сварочных работа, которые можно проводить при соблюдении ряд условий. В этот набор входят предварительный нагрев заготовок, применение специализированных электродов с высоким содержанием углерода. Плавное охлаждение шва, это необходимо для удаления напряжений в сварном шве. Но в любом случае, его структура заметно отличается от основного материала.

Маркировка

Металлургические комбинаты производят несколько марок этого материала. Его маркировку осуществляют следующим образом. Две буквы в начале аббревиатуры обозначают тип чугуна, маркировка серого чугуна начинается с СЧ, цифры, которые расположены после букв, говорят о пределе прочности во время растяжения

Принята следующая классификация серого чугуна:

1. СЧ10 — ферритный;
2. СЧ15, СЧ18, СЧ20 — ферритно-перлитные чугуны;
3. начиная с СЧ25 — перлитные чугуны.

Состав серого чугуна и его структура

Параметры и свойства сплава напрямую зависят от режима охлаждения, дело в том, что именно во время охлаждения формируется структура материала.

В процессе медленного охлаждения происходит образование немалых кристаллов железа, а сочетание металла и углерода становится перлитным. В ходе такого охлаждения происходит не только увеличение размера кристаллов металла, но и углеродных включений. Такое сочетание приводит к тому, что перлитный материал имеет не только высокую прочность, но и повышенную хрупкость.

Оценка структуры СЧ  определяет:

• размеры включений графита, измеряя в микрометрах (МКМ), их распределение, количество (в %), вид структуры металлической основы и при наличии перлита – его дисперсность.

По строению металлической основы серые чугуны делят на:

1. перлитные – в составе структуры перлит и графит;
2. ферритно-перлитные – феррит, перлит и графит;
3. ферритные – структура состоит из феррита и графита.

Какая основа будет зависит от скорости охлаждения после затвердевания.

Для обозначения частей микроструктуры чугун этого типа используют терминологию определенную в ГОСТ 3443-87, например, пластинчатый графит обозначают буквами ПГ. Углерод включен в материал в следующих формах.

• пластинчатая прямолинейная, ее обозначают ПГФ1;
• пластинчатая завихреная – ПГФ2;
• игольчатая – ПГФ3;
• гнездообразная -ПГФ4.

Первоочередную значимость для приобретения требуемых параметров чугунной отливки имеет его структура, именно поэтому при выполнении заготовок требуется тщательное выполнение технологии плавления и заливания сырья. Для обретения требуемых параметров серого чугуна и устранения дефектов применяют операцию модификации.

В составе СЧ, в зависимости от его марки, могут входить следующие вещества:

Основа – Fe (железо), остальное:

• C (углерод) – 2,9-3,7%;
• Si (кремний) -1,2-2,6%;
• Mn (марганец) – 0,5-1,1;
• P (фосфор) не больше 0,2-0,3%;
• S (сера) не больше 0,12-0,15%.

Допустимо легирование серого чугуна с использованием таких веществ как Cr, Ni, Cu,  и некоторыми другими элементами.

Кремний в составе увеличивает графитизацию углерода. Марганец несмотря на то что затрудняет графитизацию, улучшает его механические свойства.

Химический состав СЧ определен в ГОСТ 1412-85. Серый чугун производят во многих странах мира, в США аналогом этого материала считается A48-30B, в Британии BS 200 или 220, в КНР GB HT 20, в Европейском союзе EN-JL1030 FG20.

Применение 

Серый чугун нашел свое применение при получении отливок разной формы, для которых требуется высокая прочность при сжатии. Эта характеристика важна в основном при производстве литых станин, предназначенных для изготовления станочного оборудования. Применение этого материала ограничено высокой хрупкостью готовых изделий. Особенно это проявляется при наличии серьезных нагрузок на изгиб.

Не так давно, литейные характеристики серого чугуна были использованы при изготовлении кухонной посуды и иной бытовой утвари, в частности, чугунки, сковородки и пр. Выпущенная, с использованием литья, продукция отличалась простотой в производстве и низкой себестоимостью.

В наши дни с использованием литья производят нагруженные компоненты машин, которые работают без изгибающих нагрузок, например, детали поршневой группы которые установлены в ДВС.

Детали высокой прочности, отлитые из этого материал, обладают небольшой стоимостью и длительным временем эксплуатации. Можно смело сказать, что литые станины и корпуса станочного оборудования – это вечные компоненты станочного оборудования, в сравнении с другими узлами оборудования.

Чугуны марки СЧ15, СЧ18, СЧ20 применяют для слабо нагруженных деталей. Это: фланцы, крышки, маховик, корпус редуктора.

Марки СЧ20 и СЧ25 используют, где требуется повышенная нагрузка на детали. Это: поршни цилиндров, блоки цилиндров двигателя, станина станка.

Марки повышенной прочности и износостойкости СЧ30, СЧ35, СЧ40, СЧ45 использую в зубчатых колесах, гильзах двигателей, распределительных валах, шпинделях, для деталей паровых котлов. Эти марки обладают высокой теплостойкостью.

Оцените статью:

Рейтинг: 0/5 – 0
голосов

Серый чугун

Серый чугун называется так, благодаря включениям графита, которые дают характерный оттенок  на изломе. Он обладает хорошими литейными свойствами, которые обеспечивают широкое применение в машиностроении. Отливки из серого чугуна обладают высокой прочностью и износостойкостью.

Маркировка серого чугуна

Технические характеристики серого чугуна для изготовления отливок, в Украине регламентируется ГОСТ 1412-85 «Чугун с пластинчатым графитом для отливок. Марки».

Маркировка чугуна с пластинчатым графитом (серого чугуна) состоит из букв СЧ (первые буквы слов «серый чугун») и двух цифр, которые отображают предел прочности при растяжении σB (в кгс/мм2). Например, чугун с маркировкой СЧ35 означает —  это серый чугун с пластинчатым графитом, у которого с предел прочности на растяжение не ниже — 35 кгс/мм2.

Химический  состав серого чугуна

Оптимальное значение по содержанию углерода в сером чугуне составляет 2,4-3,7%. Если концентрация будет более низкой — углерод полностью растворится в железе, более высокая концентрация приведет к потере твердости и упругости.

Содержание кремния может варьироваться от 1,2 до 2,5%. Кремний является участником процесса графитизации, при этом повышается твердость металла и снижается его вязкость. Влияние этих элементов должно рассматриваться в совокупности, с учетом их суммарной концентрации.

Сера вступает в реакцию с железом и образовывет сульфид FeS, снижающий прочность и пластичность сплава. Содержание серы может быть не более 0,12-0,15%.

Для смягчения влияния серы используется марганец, который способствует образованию свободных карбидов железа. Количество добавляемого марганца зависит от содержания серы, и может составлять от 0,5 до 1.1%.

Доля фосфора не превышает 0,2-0,3%. Фософор образует включения фосфидной эвтектики, которая увеличивает твердость и износоустойчивость.

Также, в зависимости от марки чугуна, в его составе могут быть следующие элементы:

• хром – увеличивает карбидообразование, при этом повышается твердость и прочность чугуна;
• олово — способствует равномерному распределению твердости по разным сечениям;
• никель и молибдена – повышают сопротивляемость коррозийным процессам и улучшают обрабатываемость;
• медь — ускоряет графитизацию, увеличивает упругость и стойкость к коррозии, улучшает обрабатываемость;
• сурьма – (содержание до 0,08%) влияет на процесс кристаллизации.

Как химические элементы влияют на свойства серого чугуна:

1. Углерод (C) — приводит к понижению прочности, повышению пластичности, улучшению литейных свойств, а также в наибольшей степени способствует графитизации чугуна.

2. Кремний (Si) — приводит к укрупнению включений графита, повышению механических свойств, улучшению литейных свойств, способствует графитизации. Если содержание кремния больше 3% снижает пластичность.

3. Марганец (Mn) — удаляет серу и раскисляет чугун; приводит к торможению процесса графитизации, повышению склонности к отбелу, дисперсности перлита, механических свойств (содержание марганца 0,7-1,3%, дальнейшее увеличение доли имеет обратное действие), увеличивает усадку.

4. Сера (S) — является вредной примесью. Сера образует с железом легкоплавкую эвтектику (температура плавления 985°C). При размещении на границах кристаллов, она снижает механические свойства чугуна, его жидкотекучесть, повышает усадку, придает чугуну «красноломкость» (образование трещин при высоких температурах).

5. Фосфор (P) — является вредной примесью, способствует повышению жидкотекучести и хрупкости (содержание фосфора в машиностроительных отливках не должно превышать 0,2%).

6. Никель (Ni) — является легирующим элементом, выравнивающим механические свойства отливок со стенками разной толщины, приводит к повышению твердости, коррозионной стойкости и обрабатываемости резанием.

7. Медь (Cu) — способствует графитизации, увеличению жидкотекучести, повышению прочности и твердости.

8. Хром (Cr)  — тормозит процесс графитизации, приводит к измельчению графита, повышению дисперсности перлита, прочности, твердости, понижению пластичности и литейных свойств.

9. Титан (Ti)  — способствует графитизации (при содержании до 0,05%), при большем содержании тормозит этот процесс, повышает механические свойства.

10. Магний (Mg) — способствует графитизации (при содержании до 0,01%), при большем содержании увеличивает отбел, является сильным десульфуратором.

11. Молибден (Mo) — является легирующим элементом, который замедляет графитизацию, способствует карбидообразованию, повышению твердости (без ухудшения обрабатываемости) и сопротивлению износу.

Рекомендуемый химический состав серого чугуна для отливок согласно ГОСТ 1412-85, приведен в табл. 1.

Таблица 1: Химический состав серого чугуна по ГОСТ 1412-85

Классификация серого чугуна в зависимости от структуры

Состав и структура серого чугуна напрямую влияет на его свойства, а также применение конкретной марки чугуна. Скорость охлаждения после затвердевания является одним из важных факторов, которые влияют на формирование металлической основы.

Перлитная основа. Если отливка охлаждается быстро, перлитная структура составит  большую долю, которая состоит из феррита и карбида, а также тонких пластинок графита. Чугун на перлитной основе имеет высокую твердость и прочность.

Ферритно-перлитная. При медленном охлаждении в структуре серого чугуна увеличивается доля феррита – сплава железа с оксидами Fe2O3 и других металлов. Такая основа, которая состоит из феррита, перлита и пластинчатого графита, имеет более высокую пластичность.

Ферритная основа образуется при быстром охлаждении. Она состоит из вязкого феррита и свободного углерода в виде пластинок графита. Присутствие пластинок графита приводит к ухудшению механических свойств чугуна, снижает его прочность и сопротивляемость растяжению. В то же время графит:

• повышает износостойкость;
• улучшает обрабатываемость;
• снижает усадку в процессе литья;
• гасит вибрацию деталей.

Таблица 2: Физические свойства чугуна с пластинчатым графитом

Серый чугун и его механические свойства

Серый чугун обладает такими основными характеристиками, которые обеспечивают его применение в литейном производстве:

• небольшая температура отвердевания;
• высокая жидкотекучесть;
• отсутствие склонности к образованию раковин;
• малая объемная усадка.

При этом для конечного пользователя отливок из серого чугуна большое значение имеют следующие показатели:

• прочность серого чугуна;
• износостойкость при трении;
• герметичность, то есть устойчивость к образованию трещин и пор.

Эти показатели зависят от структуры и твердости серого чугуна. Чем меньше размеры графитовых пластинок, тем выше эти показатели. Детали, подвергающиеся постоянным ударно-абразивным нагрузкам, должны обладать особенно высокой твердостью. Герметичность важна в таких изделиях, как трубопроводы, насосы и компрессоры, гидравлические приводы, которые эксплуатируются в условиях большого давления жидкостей или газов. При этом степень герметичности зависит от параметров текучести, изменения давления и наличия транзитной микропористости.

Наибольшей прочностью обладает перлитный серый чугун. Это позволяет применять его в производстве деталей машин, которые подвергаются высокой нагрузке.

Серый чугун склонен к растрескиванию при сварке, а некоторые сорта вообще не поддаются сварке.

Таблица 3: Механические свойства серого чугуна по ГОСТ 1412-85

Структура чугуна зависит от толщины стенок чугунных отливок. В зависимости от толщины стенки отливки, чугун кристаллизуется и охлаждается с различной скоростью (чем толще стенка отливки, тем ниже скорость охлаждения и тем больше выделяется графита в структуре чугуна и тем ниже прочностные характеристики материала отливки). Зависимость прочностных характеристик чугуна от толщины стенок отливок приведена в табл. 4.

Таблица 4: Ориентировочные данные о временном сопротивлении при растяжении и твердости в стенках отливок различного сечения по ГОСТ 1412-85