Чугун серый

Автор: Волков Семён

Дата публикации: 01 Сентября 2024

Серый чугун, широко применяемый в машиностроении, не является однородным металлом. Это пористая металлическая губка, состоящая из сплава железа с графитом, поры которого заполнены рыхлым неметаллическим веществом – графитом. Чугун довольно хрупкий материал. При разрыве его относительное удлинение очень мало. Он раскалывается при ударе.

Механические характеристики серых чугунов зависят от свойств металлической основы и, в частности, от количества, формы и размеров графитовых включений. Перлитная основа обеспечивает наивысшие показатели прочности и износостойкости. В соответствии с ГОСТ 1412-85 марки серых чугунов обозначаются буквами "СЧ" и цифрами, указывающими на минимальный предел прочности при растяжении Ств, МПа / 10. Чугун СЧ10 – ферритный; СЧ15, СЧ18, СЧ20 – ферритно-перлитные чугуны; начиная с СЧ25 – перлитные чугуны.

Около 80 % всех чугунных отливок приходится на серый чугун с пластинчатым графитом.

Серый чугун выделяется превосходными литейными характеристиками (низкая температура затвердевания, хорошая текучесть в жидком состоянии, минимальная усадка), благодаря чему он является основным материалом для литья. Его используют в машиностроении для изготовления станин станков и механизмов, поршней, цилиндров.

При сварке серый чугун имеет высокую склонность к образованию трещин, поэтому этот аспект требует особого внимания.

В процессе сварки часто наблюдается отбеливание чугуна, что приводит к высокой твердости и хрупкости сварочной зоны, делая её практически непригодной для последующей механической обработки.

Существуют виды чугуна, практически не поддающиеся сварке, например, так называемый горелый серый чугун, который подвергался длительному воздействию высокой температуры, кислот, пара и прочего.

Влияние химического состава на структуру и физико-механические характеристики серого чугуна. Влияние основных элементов на процесс графитизации чугуна :

Углерод. Увеличение содержания углерода в сером чугуне ведет к общему снижению прочности, модуля упругости и твердости, но к увеличению пластичности и циклической вязкости. Нижний предел содержания углерода в чугуне с повышенной прочностью ограничивается снижением литейных качеств чугуна. Обычно содержание углерода в сером чугуне варьируется в пределах 2,4—4,2%.

Кремний, с точки зрения его воздействия на графитизацию серого чугуна, можно рассматривать как аналог углерода. Тем не менее, его влияние на механические свойства кардинально отличается от влияния углерода. Кремний образует твердый раствор с ферритом, что приводит к увеличению твердости и прочности феррита, при одновременном снижении его вязкости. Совмещенное (графитизирующее и легирующее) влияние кремния способно значительно изменить механические характеристики серого чугуна. В большинстве случаев увеличение содержания кремния связано с ростом размеров графитовых включений и увеличением доли феррита в матрице, что ведет к снижению прочности серого чугуна. При высоком уровне кремния пластичность серого чугуна уменьшается из-за образования силикоферрита. На начальных этапах увеличение содержания кремния уменьшает твердость серого чугуна из-за процесса графитизации, но затем твердость возрастает за счет формирования силикоферрита.

Совместное влияние углерода и кремния на механические характеристики серого чугуна часто изучают вместе. В самом простом подходе анализируют общее содержание обоих элементов, а более точное исследование предполагает использование углеродного эквивалента или степени эвтектичности.

Сера. Присутствие эвтектики Fe—FeS ослабляет межзеренные границы, что ухудшает прочность и пластичность чугуна. Одновременно, сера содействует перлитизации структуры, что может увеличивать прочность и твердость серого ферритного или феррито-перлитного чугуна. Также, присутствие серы улучшает износостойкость чугуна.

Марганец замедляет графитизацию, легирует феррит, способствует уменьшению размера зерен перлита и в некоторых случаях образует свободные карбиды. Воздействие марганца на механические характеристики чугуна представлено на рисунке 38. Взаимодействуя с серой, марганец нейтрализует ее негативное влияние, поэтому количество марганца нужно корректировать с учетом содержания серы. При выплавке чугуна с низким содержанием серы, уровень марганца рекомендуется уменьшать.

Фосфор легирует феррит, способствует уменьшению размера эвтектического зерна и формированию фосфидной эвтектики. С увеличением содержания фосфора повышаются твердость и износостойкость чугуна.

Хром. При увеличении доли хрома возрастает прочность и твердость чугунных отливок; у модифицированного чугуна рост прочности проходит быстрее. Хром замедляет графитизацию и является активным элементом, образующим карбиды. На рисунке 40 представлено изменение твердости отливок разной толщины стенок в зависимости от содержания хрома. В тонких сечениях рост твердости при увеличении содержания хрома происходит более интенсивно, чем в толстых.

Добавление никеля способствует выравниванию механических характеристик чугуна в отливках, имеющих разнообразную толщину стенок. В чугунных изделиях с содержанием никеля чуть более 3% прочностные свойства остаются практически постоянными при толщине стенок от 22 до 88 мм. Каждый процент никеля увеличивает твердость серого чугуна примерно на 10 НВ. С ростом процентного содержания никеля увеличивается коррозионная устойчивость чугуна, особенно в щелочных растворах; улучшается его обрабатываемость, а также повышается герметичность, поскольку при высокой эвтектичности графит принимает благоприятную структуру, а крупность зерна уменьшается.

Молибден является активным карбидообразующим элементом и предотвращает графитизацию. С ростом содержания молибдена, чугун становится прочнее и тверже. Прочность чугуна увеличивается линейно с увеличением доли молибдена: добавление 1% Мо увеличивает прочность приблизительно на 1 кГ/мм² независимо от степени эвтектичности в пределах от 0,8 до 1,0. При этом ударная вязкость не снижается, а даже немного повышается. Молибден усиливает прочность чугуна при высоких температурах. Максимальная прочность достигается при содержании 1,9% Мо, после чего свойства начинают уменьшаться из-за образования ледебурита. Повышение твердости за счет улучшения однородности не ухудшает обрабатываемость. Молибден также повышает износостойкость чугуна и его устойчивость к росту.

Медь оказывает на серый чугун двоякое воздействие: она способствует графитизации во время затвердевания и созданию перлита при эвтектоидном превращении. С увеличением концентрации меди возрастает жидкотекучесть и уменьшается усадка. При росте содержания меди увеличивается модуль упругости чугуна, а также его прочность и твердость.

Наблюдается рост модуля упругости с 13000 до 20000 кГ/мм², предел прочности при изгибе повышается с 35 до 67 кГ/мм², а твердость — с 137 до 200 HB. При этом при содержании меди в 2,6% Си твердость оставалась равномерной по всему поперечному сечению отливок.

Медистый чугун подвергается обработке лучше, чем нелегированный. Добавление меди в чугун, легированный карбидообразующими элементами (такими как хром, молибден, ванадий), снижает его твердость и улучшает обрабатываемость, а также может способствовать повышению прочности, уменьшая охрупчивающее влияние карбидов. Благодаря положительному воздействию меди на формирование тонкопластинчатого перлита, медистый чугун демонстрирует повышенную коррозионную стойкость в различных средах.

Увеличение предела прочности медистого чугуна при растяжении происходит независимо от его эвтектичности; рост твердости зависит от эвтектичности (при низкой эвтектичности твердость увеличивается более интенсивно).

Присутствие олова до 0,1% повышает твердость, прочность и модуль упругости серого чугуна. В то же время, повышение твердости способствует увеличению склонности чугуна к отбелу. В связи с этим, чтобы избежать отбела, содержание олова должно быть в пределах 0,05—0,08%.

Рекомендуется использовать олово как легирующий элемент вместо хрома для нивелирования значительных колебаний твердости по различным участкам отливок.

Олово существенно уменьшает рост чугуна и образование окалины.

Сурьма в сером чугуне действует аналогично олова, предотвращая выделение свободного феррита, однако, делает это с большей эффективностью. Эффект воздействия сурьмы проявляется при ее доле 0,015%, а добавление 0,03—0,08% Sb способствует результативному легированию чугуна. Прочность увеличивается с содержанием до 0,1% Sb, достигая перлитной структуры, а при высоком содержании сурьмы прочность наоборот снижается. Воздействие сурьмы ограничивается кристаллизацией металлической основы чугуна, не влияя на форму и распределение графитовых включений. Легирование сурьмой приводит к снижению ударной вязкости чугуна.

При повышении содержания сурьмы наблюдается заметное уменьшение чувствительности чугуна к толщине стенок. Влияние сурьмы на механические свойства указано в табл. 26.

Добавление бора укрепляет чугун, способствуя образованию мелких карбидов. При крайне низких концентрациях бор проявляет графитизирующее воздействие на чугун, что несколько увеличивает стрелу прогиба и ударную вязкость; при больших дозах бора возрастает прочность, но снижается пластичность и вязкость материала.

При правильно подобранном соотношении бора и кремния, в широком диапазоне толщин стенок и эвтектичности чугуна формируется уникальная структура, характеризующаяся равномерно распределенной сеткой цементита на основе перлита. В зависимости от введенного количества бора можно достичь твердости до 260 НВ. Серый чугун с тонкой цементитной сеткой хорошо поддается обработке. Аналогичные эффекты на свойства чугуна наблюдаются при добавлении как бора, так и алюминия. Легирование бором значительно повышает износостойкость чугуна, не ухудшая его обрабатываемость.

Комплексное легирование с одновременным введением нескольких элементов в чугун находит наиболее широкое применение.

Сварка чугуна используется для исправления различных литейных дефектов, в ремонтных работах при восстановлении изношенных и разрушенных деталей машин, а также при изготовлении комбинированных деталей из чугуна и других сплавов.

К основным методам сварки чугуна относятся: газовая, электродуговая и электроконтактная точечная, применяемая для соединения чугунных деталей с медными, бронзовыми и латунными элементами.

Служебные характеристики серого чугуна. Износостойкость определяется темпом потери металла, выраженной в весовых или линейных единицах.

Основные типы износа классифицируются следующим образом: абразивный, при сухом трении, при трении со смазкой, эрозионно-кавитационный.

Износоустойчивость серого чугуна определяется в основном его структурой и твердостью. Чем меньше присутствие и размеры графитовых включений, тем более устойчив чугун к износу. Феррит в структуре полезен только при мягком контртеле, низких давлениях и скоростях, в условиях трения качения при постоянном одностороннем вращении, а также при возможных перекосах пары, контакти­ющейся в процессе приработки. В большинстве случаев перлитная структура имеет значительные преимущества, особенно при трении скольжения и возвратно-поступательном движении.

В подавляющем большинстве ситуаций износостойкость напрямую связана с твердостью чугуна и увеличивается с её ростом. Детали, работающие в условиях ударно-абразивного износа, должны обладать особенно высокой твердостью.

Устойчивость серого чугуна к износу можно значительно повысить посредством легирования (рис. 50).

Герметичность определяется скоростью утечки, падением давления или предельными параметрами (толщина стенки, давление), при которых фиксируется протекание.

Требования к герметичности предъявляются к чугунным элементам, работающим под давлением жидкости или газа. Давление жидкости может быть равно атмосферному (картеры, открытые резервуары). Наибольшую герметичность должны обеспечивать отливки насосов и компрессоров, трубопроводов, запорной арматуры, тормозной пневматики, гидроприводов и других элементов.

Ключевым фактором, влияющим на герметичность отливок, является присутствие раковин и микропористости. Ведущую роль играет «транзитная», то есть сообщающаяся между собой микропористость.

Использование серого чугуна в производстве станков. К первой категории отливок относятся базовые, корпусные и иные детали, обладающие высокой прочностью или износостойкостью. В участках отливок, которые имеют наибольшую толщину и в значительной степени определяют прочность и жесткость деталей, чугун должен иметь предел прочности на растяжение примерно 25—30 кГ/мм² и модуль упругости около (1,15—1,35) 10⁴. В зависимости от конкретной толщины стенок, для обеспечения требуемой прочности в отливках рекомендуются следующие марки серого чугуна: СЧ 21-40, СЧ 28-48, СЧ 32-52.

Компоненты, относящиеся к первому классу, — это части, выдерживающие значительные нагрузки: кронштейны, шестерни. Детали, к которым предъявляются требования по стабильности геометрической формы и устойчивости к износу при трении скольжения в условиях сильного загрязнения смазки, а также при трении качения: станины с направляющими скольжения токарно-винторезных, револьверных, горизонтально-расточных, фрезерных и других станков, а также координатно-расточных, шлифовальных станков с недостаточной защитой направляющих; станины координатно-расточных, резьбошлифовальных, шлифовальных станков с направляющими качения; ползуны, поперечины, накладные направляющие; шабровочные и поверочные плиты и линейки. Детали, к которым предъявляются требования по герметичности при давлении выше 80 кг/см²: элементы гидро- и пневмоаппаратуры — цилиндры, корпуса насосов, золотники.

Для отливок первого класса, работающих в условиях высокого износа рабочих поверхностей (направляющие), предъявляются дополнительные требования к твердости и микроструктуре. Твердость направляющих на глубине 3/₄ припуска на механическую обработку должна быть не ниже 180 НВ. В случае тяжелых отливок массой более 7000 кг или при толщине направляющих свыше 100 мм, твердость может быть уменьшена до 170 НВ. Такое же снижение твердости допускается при условии, что направляющие скольжения надежно защищены от загрязнений (не выходят из контакта с направляющими сопряженных деталей).

Микроструктура отливок весом до 4000 кг и толщиной направляющих до 60 мм должна состоять из мелкопластинчатого высокодисперсного перлита в объеме не менее 98% с мелкими пластинками графита размером от 10 до 125 мкм, который может быть изолированным или в виде незначительно изолированных колоний. Для отливок весом от 4000 до 10 000 кг или при толщине направляющих от 60 до 100 мм содержание перлита должно составлять не менее 95%. В случае особо тяжелых станочных отливок массой более 10 000 кг или при толщине направляющих свыше 100 мм перлит может быть от среднепластинчатого до мелкопластинчатого с содержанием в структуре более 90%, а графит размером от 10 до 250 мкм.

Для самых ответственных деталей первого класса, таких как базовые, корпусные элементы и другие высокопрочные и износостойкие детали прецизионных станков с повышенной, высокой и особо высокой точностью, предпочтительно использовать чугун марки СЧ 32-52.

Достижение высоких характеристик прочности и твердости рабочих поверхностей обеспечивается легированием чугуна никелем, хромом и молибденом.

Во второй класс отливок входят базовые и корпусные детали с повышенной прочностью или износостойкостью. Чтобы обеспечить необходимую прочность и жесткость, чугун в отливках (в преобладающих по толщине сечения местах) должен иметь предел прочности на растяжение около 20—25 кГ/мм³. В зависимости от толщины стенок отливок рекомендуется применять следующие марки серого чугуна: СЧ 15-32, СЧ 21-40 и СЧ 28-48.

Отливки второго сорта — это компоненты, от которых требуется стабильность геометрической формы и которые не подвергаются износу: основания и салазки с наложными направляющими токарно-винторезных, револьверных станков и других аналогичных машин.

Подробное применение серого чугуна и других видов чугуна представлено в статье о применении чугуна.

Подробнее об использовании серого чугуна и других форм чугуна можно узнать в статье про использование чугуна.