Серый чугун

Серый чугун своим названием обязан графитовым включениям, дающим на изломе характерный оттенок. Хорошие литейные свойства обеспечили сплаву широкое применение в машиностроении. Из него получают отливки, требующие высокой прочности и износостойкости.

Химический состав

Основные свойства и химический состав серого чугуна регламентируются ГОСТом 1412-85.

Оптимальное содержание углерода составляет 2,4-3,7%. При более низкой концентрации он полностью растворится в железе, а ее превышение приведет к потере твердости и упругости.

Кремний – 1,2-2,5%. Он участвует в процессе графитизации, повышая твердость металла и снижая его вязкость. Влияние углерода и кремния рассматривается в совокупности, с учетом их суммарной концентрации.

Сера соединяется с железом с образованием сульфида FeS, который снижает свойства прочности и пластичности сплава. Допускается содержание серы не более 0,12-0,15%.

Марганец смягчает вредное влияние серы и способствует образованию свободных карбидов железа. Его количество определяется содержанием серы, и обычно составляет 0,5-1.1%.

Концентрация фосфора не превышает 0,2-0,3%. Элемент образует включения фосфидной эвтектики, увеличивая твердость и износоустойчивость.

В зависимости от марки допускается включение в состав серого чугуна:

• хрома – он увеличивает карбидообразование, а с этим процессом повышаются твердость и прочность материала;
• олова, способствующего равномерному распределению твердости по разным сечениям;
• никеля и молибдена – для повышения сопротивляемости коррозийным процессам и улучшения обрабатываемости;
• меди – ее присутствие способствует ускорению графитизации, увеличению упругости и стойкости к коррозии, улучшению обрабатываемости;
• сурьмы – до 0,08%, оказывает влияние на процессы кристаллизации.

Структура сплава

Свойства и применение серого чугуна зависят от его состава и структуры. Один из важных факторов, влияющих на формирование металлической основы – скорость охлаждения после отвердевания. В зависимости от нее формируется металлическая основа структуры сплава.

Перлитная основа. Чем быстрее охлаждается заготовка, тем большую долю составляет в ней перлитная структура, состоящая из феррита и карбида наряду с тонкими пластинками графита. Она отличается высокой твердостью и прочностью.

Ферритно-перлитная. При щадящем охлаждении в структуре серого чугуна возрастает доля феррита – сплава железа с оксидами Fe2O3 и других металлов. Образуется основа, состоящая из феррита, перлита и пластинчатого графита. Обладает более высокой пластичностью.

Ферритная основа образуется при быстром охлаждении. Она состоит из вязкого феррита и свободного углерода в виде пластинок графита. Их присутствие ухудшает механические свойства металла, снижает его прочность и сопротивляемость растяжению. В то же время графит:

• повышает износоустойчивость сплава, действуя подобно смазке;
• улучшает обрабатываемость;
• снижает усадку в процессе литья;
• гасит вибрацию деталей.

Механические свойства

Главные характеристики, обеспечивающие применение сплава в литейном производстве:

• небольшая температура отвердевания;
• высокая текучесть в жидком состоянии;
• отсутствие склонности к образованию раковин;
• малая объемная усадка.

Важное значение имеют показатели:

• прочности серого чугуна;
• износостойкости при трении;
• герметичности, то есть устойчивости к образованию трещин и пор.

Они зависят от его структуры и твердости. Чем меньше размеры графитовых пластинок, тем выше эти показатели. Особенно высокой твердостью должны обладать детали, которые подвергаются постоянным ударно-абразивным нагрузкам. Высокие требования герметичности предъявляются к изделиям, эксплуатирующимся в условиях большого давления жидкостей или газов:

• трубопроводам;
• насосам и компрессорам;
• гидравлическим приводам.

Степень герметичности зависит:

• от параметров текучести;
• изменения давления;
• наличия транзитной микропористости.

Наибольшими прочностными характеристиками обладает перлитный серый чугун, что позволяет применять его в производстве нагруженных деталей машин.

Сплав склонен к растрескиванию при сварке, к ней прибегают только при необходимости:

• восстановления сильно изношенных механизмов;
• изготовления комбинированных узлов с другими металлами;
• устранения имеющихся в отливках дефектов.

Некоторые сорта вообще не поддаются сварке.

Расшифровка маркировки

ГОСТом 1412-85 установлена группа марок серого чугуна. Они маркируются буквенно-числовым обозначением:

• буквы СЧ постоянны для всех сплавов;
• за ними следуют цифры, обозначающие наименьший показатель предела прочности на растяжение в кг/мм².

Например, для марки СЧ24 предел прочности составляет 24 кг/мм² или 240 МПа. Для высокопрочных сплавов применяется маркировка ВЧ с указанием предела прочности и процента относительного удлинения – ВЧ60-2. Каждому типу сплава соответствует свой интервал значений предела прочности:

• марки до СЧ10 относятся к ферритным чугунам;
• СЧ10-СЧ18 – ферритноперлитным;
• выше СЧ25 – перлитным.

Физические и технологические свойства металла изменяются в зависимости от типа структуры и марки. С увеличением количества углерода:

• плотность снижается с 6,8 до 7,4 г/см3;
• предел прочности повышается с 240 до 400 МПа;
• линейная усадка растет с 1,0 до 1,3%.

 Область применения

Серый чугун является одним из самых востребованных продуктов черной металлургии. Его доля в общем объеме производства составляет не менее 80%. В машиностроении применяются марки с высоким содержанием графита, так как они способны поглощать вибрационные колебания, возникающие при работе механизмов. Сплав используется для получения ответственных деталей:

• втулок;
• станин для станков
• тяжелых оснований.

Необходимые свойства серому чугуну придают при помощи легирования молибденом или хромом. Высокая износостойкость при трении в отсутствие смазки необходима:

• для нажимных дисков сцепления;
• блоков;
• крышек подшипников;
• тормозных дисков или барабанов.

Из марок с перлитной структурой производят детали, испытывающие большие нагрузки: гильзы и головки цилиндров; распределительные валы.

И сегодня остаются востребованными чугунные изделия различного назначения:

• сантехника для дома;
• кухонная посуда;
• трубы и радиаторы отопления;
• чугунные ограждения и скульптуры.

Отливки 1 класса

Для производства каждой детали из серого чугуна подбирается марка, соответствующая по своим характеристикам условиям эксплуатации. К 1 классу относятся изделия, которые должны обладать:

• пределом прочности на растяжение – 25-30 кг/мм²;
• модулем упругости – 1,15-1.30*10-6 МПа;
• стабильностью геометрической формы.

Отливки 1 класса подвергаются высоким нагрузкам, давлению или трению скольжения:

• зубчатые колеса;
• поперечины и ползуны;
• кронштейны;
• станины шлифовальных станков;
• гидроцилиндры;
• пневматическое оборудование.

В зависимости от толщины изделий, для их изготовления используются марки:

• СЧ21-СЧ40;
• СЧ28-СЧ48.

Детали 1 класса, подвергающиеся сильному износу, должны иметь мелкопластинчатую структуру перлита и твердость до 180 НВ. Для ответственных деталей допустимо применение серого чугуна марки СЧ32-СЧ-52.

Детали 2 класса

К отливкам 2 класса относят корпусные части и базовые детали, не работающие на износ:

• станины токарных или револьверных станков;
• листопрокатные валки;
• детали сменного оборудования.

Однако к ним тоже предъявляются повышенные требования предела прочности – до 20-25 кг/мм². Для достижения таких показателей рекомендуется использовать марки:

• СЧ15-СЧ32;
• СЧ21-СЧ40.

Изделия, изготовленные из литого чугуна, характеризуются большим сроком эксплуатации, при этом – минимальной стоимостью.