Применение и механические свойства серого чугуна

Чугун серый
СЧ10	СЧ15	СЧ20	СЧ25	СЧ30
СЧ35

Серый чугун, широко применяется в машиностроении и представляет собой не сплошной металл, а пористую металлическую губку — сплав железа с графитом, поры которой заполнены рыхлым неметаллическим веществом — графитом. Чугун весьма хрупок. Его относительное удлинение при разрыве очень низко. Он разбивается на куски ударом.

Механические свойства серых чугунов зависят от свойств металлической основы и в основном, от количества, формы и размеров графитных включений. Перлитная основа обеспечивает наибольшие значения показателей прочности и износостойкости. Марки серых чугунов согласно ГОСТ 1412—85 состоят из букв "СЧ" и цифр, соответствующих минимальному пределу прочности при растяжении Ств, МПа / 10. Чугун СЧ10 — ферритный; СЧ15, СЧ18, СЧ20 — ферритно-перлитные чугуны, начиная с СЧ25 — перлитные чугуны.

На долю серого чугуна с пластинчатым графитом приходится около 80 % общего производства чугунных отливок.

Серый чугун отличается высокими литейными свойствами (для него свойственна низкая температура кристаллизации, текучесть в жидком состоянии, малая усадка) и поэтому служит основным материалом для литья. Он широко применяется в машиностроении для отливки станин станков и механизмов, поршней, цилиндров.

Серый чугун весьма склонен к образованию трещин при сварке, и борьбе с трещинами приходится уделять особое внимание при сварке.

Часто в процессе сварки происходит отбеливание чугуна, что придает ему высокую твердость и хрупкость в зоне сварки и делает его совершенно непригодным для механической обработки после сварки.

Встречаются сорта чугуна, практически совершенно не поддающиеся сварке, например так называемый горелый серый чугун, подвергавшийся длительному воздействию высокой температуры, кислот, пара и т. п.

Влияние химического свойства на структуру и физико-механические свойства серого чугуна. Влияние основных элементов на графитизацию чугуна :

Углерод. Повышение содержания углерода в сером чугуне приводит в общем к уменьшению прочности, модуля упругости и твердости и к увеличению пластичности и циклической вязкости. Нижний предел содержания углерода в чугуне с повышенной прочностью ограничивается снижением литейных свойств чугуна. Обычно содержание углерода в сером чугуне колеблется в пределах 2,4—4,2%.

Кремний с точки зрения его влияния на графитизацию серого чугуна является аналогом углерода. Однако его влияние на механические свойства принципиально отлично от влияния углерода. Кремний образует с ферритом твердый раствор и повышает твердость и прочность феррита, снижая одновременно его вязкость. Суммарное (графитизирующее и легирующее) воздействие кремния может существенно изменять механические свойства серого чугуна. Обычно повышение содержания кремния связано с ростом величины графитовых включений и повышением доли феррита в матрице; прочность серого чугуна при этом снижается. При высоком содержании кремния снижается пластичность серого чугуна за счет образования силикоферрита. Твердость серого чугуна с увеличением содержания кремния сначала понижается вследствие графитизации, а затем увеличивается за счет образования силикоферрита.

Влияние углерода и кремния на механические свойства серого чугуна обычно рассматривают совместно. В простейшем случае учитывают суммарное содержание углерода и кремния, более точным является способ определения углеродного эквивалента или степени эвтектичности.

Сера. Ослабляя границы зерен, эвтектика Fe—FeS снижает прочность и пластичность чугуна. С другой стороны, сера способствует перлитизации структуры и может повышать прочность и твердость ферритного или феррито-перлитного серого чугуна. Кроме того, сера повышает износостойкость чугуна.

Марганец тормозит графитизацию, легирует феррит, способствует размельчению перлита и иногда образованию свободных карбидов. Влияние марганца на механические свойства чугуна показано на рис. 38. Марганец, взаимодействуя с серой, нейтрализует ее вредное воздействие, поэтому выбор количества марганца должен быть увязан с содержанием серы. При выплавке малосернистого чугуна содержание марганца следует снижать.

Фосфор легирует феррит, способствует размельчению эвтектического зерна и образованию включений фосфидной эвтектики. С повышением содержания фосфора увеличивается твердость и износостойкость чугуна.

Хром. С увеличением содержания хрома растет прочность и твердость чугунных отливок; нарастание прочности происходит быстрее у модифицированного чугуна. Хром тормозит графитизацию и является активным карбидообразующим элементом. На рис. 40 показано изменение твердости в отливках с различной толщиной стенки при изменении содержания хрома. Рост твердости в тонких сечениях с увеличением содержания хрома происходит более интенсивно, чем в толстых.

Никель благоприятно влияет на выравнивание механических свойств чугуна в отливках с различной толщиной стенки. В чугуне с содержанием никеля несколько больше 3% прочность почти не изменяется при толщине стенок от 22 до 88 мм. Каждый процент никеля повышает твердость серого чугуна приблизительно на 10 НВ. С увеличением содержания никеля возрастает коррозионная устойчивость чугуна, особенно в щелочных средах; улучшается обрабатываемость и, кроме того, повышается герметичность, так как при высокой эвтектичности графит приобретает благоприятную форму, а величина зерна уменьшается.

Молибден является интенсивным карбидообразующим элементом и тормозит графитизацию. Прочность и твердость чугуна с увеличением содержания молибдена повышается. С увеличением содержания молибдена прочность чугуна возрастает линейно: 1% Мо повышает прочность примерно на 1 кГ/мм 2 при любой степени эвтектичности от 0,8 до 1,0. Ударная вязкость при этом не падает, а даже несколько увеличивается. Молибден увеличивает прочность чугуна при повышенных температурах. Максимум прочности достигается при содержании 1,9% Мо, затем происходит падение свойств из-за образования ледебурита. Повышение твердости вследствие повышения однородности не сопровождается ухудшением обрабатываемости. Молибден повышает также сопротивление чугуна износу и его росто-устойчивость.

Медь оказывает на серый чугун двойное действие: способствует графитизации при затвердевании и образованию перлита при эвтектоид-ном превращении. С увеличением содержания меди увеличивается жидкотекучесть и уменьшается усадка. При увеличении содержания меди повышается модуль упругости чугуна, прочность и твердость.

Отмечается повышение модуля упругости с 13000 до 20000 кГ/мм 2 предел прочности при изгибе — с 35 до 67 кГ/мм 2 твердости — с 137 до 20 НВ, причем при 2,6 % Си она оставалась равномерной по всему сечению отливок.

Медистый чугун обрабатывается лучше нелегированного. Добавка меди к чугуну, легированному карбидообразующими элементами (хромом, молибденом, ванадием), понижает его твердость и улучшает обрабатываемость, а также может повышать прочность, снижая охрупчивающее действие карбидов. Вследствие положительного влияния меди на образование тонкопластинчатого перлита повышается коррозионная стойкость медистого чугуна во многих средах.

Повышение предела прочности при растяжении медистого чугуна происходит независимо от его эвтектичности; увеличение твердости зависит от эвтектичности (при низкой эвтектичности твердость возрастает интенсивнее).

Олово при содержании до 0,1% повышает твердость, а также прочность и модуль упругости серого чугуна. Однако одновременно с повышением твердости увеличивается склонность чугуна к отбелу. Поэтому во избежание отбела содержание олова не должно превышать 0,05—0,08%.

Олово как легирующий элемент рекомендуется использовать вместо хрома для устранения больших колебаний в твердости по различным сечениям отливок.

Олово заметно понижает рост чугуна и образование окалины.

Сурьма в сером чугуне препятствует выделению свободного феррита подобно олову, но более эффективно. Влияние сурьмы обнаруживается при ее содержании 0,015%, а добавки 0,03—0,08% Sb обеспечивают эффективное легирование чугуна. Прочность чугуна увеличивается примерно при содержании в нем до 0,1% Sb, пока не будет достигнута чисто перлитная структура, а при дальнейшем увеличении содержания сурьмы снижается прочность. Сурьма влияет только на кристаллизацию металлической основы чугуна, не изменяя ни формы, ни распределения графитовых включений. Ударная вязкость чугуна при легировании сурьмой снижается.

С увеличением содержания сурьмы заметно снижается чувствительность чугуна к толщине стенки. Влияние сурьмы на механические свойства приведено в табл. 26.

Бор повышает прочность чугуна, способствуя выделению измельченных карбидов. При чрезвычайно малых добавках бор видимо оказывает на чугун графитизирующее влияние и несколько повышает стрелу прогиба и ударную вязкость; при больших содержаниях бора повышается прочность и снижается пластичность и вязкость чугуна.

При подобранном соотношении бора и кремния в широком пределе толщин стенок и эвтектичности чугуна получается своеобразная половинчатая структура с равномерно распределенной цементитной сеткой на перлитной основе. В зависимости от количества введенного бора возможно получение твердости до 260 НВ. Серый чугун с тонкой цементитной сеткой хорошо обрабатывается. Аналогичное влияние на свойства чугуна оказывают комплексные добавки бора и алюминия. Путем легирования бором можно значительно повысить износостойкость чугуна без опасения понизить его обрабатываемость.

Наиболее широкое применение находит комплексное легирование с введением в чугун нескольких элементов одновременно.

Сварку чугуна применяют для исправления различных литейных дефектов, в ремонтных работах при восстановлении изношенных и разрушившихся деталей машин, а также при изготовлении комбинированных деталей машин из чугуна и из чугуна в сочетании с другими сплавами.

Основными способами сварки чугуна являются: газовая, электродуговая и электроконтактная точечная, применяемая для соединения чугунных деталей с медными, бронзовыми и латунными деталями.

Служебные свойства серого чугуна. Износостойкость определяется скоростью потери металла, выраженной в весовом или линейном измерениях.

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

Износостойкость серого чугуна зависит прежде всего от его структуры и твердости. Чем меньше общее количество графита и размеры графитовых включений, тем большей износостойкостью обладает чугун. Наличие феррита в структуре оказывается полезным только при сравнительно мягком контртеле, при малых давлениях и скоростях, в условиях трения качения при непрерывном одностороннем вращении, а также при возможных перекосах трущейся пары в процессе приработки. В большинстве случаев значительные преимущества имеет перлитная структура, особенно при трении скольжения и возвратно-поступательном движении.

В подавляющем большинстве случаев износостойкость находится в прямой зависимости от твердости чугуна и повышается с ростом твердости последнего. Особенно высокую твердость должны иметь детали, работающие в условиях ударно-абразивного износа.

Износостойкость серого чугуна может быть существенно повышена за счет применения легирования (рис. 50).

Герметичность оценивают по скорости утечки, падению давления или по граничным параметрам (толщина стенки, давление), при которых обнаруживается течь.

Требования герметичности предъявляются к чугунным деталям, работающим под давлением жидкости или газа. Давление жидкости может быть равно атмосферному (картеры, открытые резервуары). Высокой герметичностью должны обладать отливки насосов и компрессоров, трубопроводов, арматуры, тормозной пневматики, гидроприводов и др.

Основным фактором, определяющим герметичность отливок, является наличие раковин и микропористости. Главную роль играет «транзитная», т. е. сообщающаяся между собой микропористость.

Применение серого чугуна в станкостроении. К первому классу отливок относятся базовые, корпусные и другие детали высокой прочности или износостойкости. Чугун в преобладающих по толщине участках отливок, которые определяют в основном прочность и жесткость деталей, должен иметь предел прочности на растяжение около 25—30 кГ/мм- и модуль упругости около (1,15-е-1,35) 10 4 . В зависимости от конкретных толщин стенок для обеспечения в отливках этой заданной прочности рекомендуются для предпочтительного использования следующие марки серого чугуна: СЧ 21-40, СЧ 28-48, СЧ 32-52.

Детали, относящиеся к первому классу — это детали, несущие высокие нагрузки: кронштейны, зубчатые колеса. Детали, к которым предъявляются требования по стабильности геометрической формы и работающие на износ при трении скольжения в условиях большой загрязненности смазки, а также при трении качения: станины с направляющими скольжения токарно-винторезных, револьверных, горизонтально-расточных, фрезерных и других станков, а также коордннатно-расточных, шлифовальных 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 в части герметичности при давлении свыше 80 кГ/см а : детали гидро- и пневмоаппаратуры — цилиндры, корпусы насосов, золотников.

К отливкам первого класса, работающим в условиях износа рабочих поверхностей (направляющих), предъявляются дополнительные требования в отношении твердости и микроструктуры. Твердость направляющих на глубине 3 /₄ припуска на механическую обработку должна быть не ниже 180 НВ. Для тяжелых отливок весом более 7000 кг или при толщине направляющих более 100 мм твердость может быть снижена до 170 НВ. Такое же снижение твердости допускается, если направляющие скольжения хорошо защищены от загрязнения (не выходят из контакта с направляющими сопряженных деталей).

Микроструктура отливок развесом до 4000 кг при толщине направляющих до 60 мм должна состоять из мелкопластинчатого высокодисперсного перлита в количестве не менее 98% и мелких пластинок графита размером от 10 до 125 мкм графитовые включения, изолированные или в виде колоний малой степени изолированности. При весе отливок от 4000 до 10 000 кг или при толщине литых направляющих от 60 до 100 мм перлита должно быть не менее 95%. Для особо тяжелых станочных отливок более 10 000 кГ или при толщине направляющих более 100 мм перлит может быть от среднепластинчатого до мелкопластинчатого с содержанием в структуре более 90%, а графит размером от 10 до 250 мкм.

Для наиболее ответственных деталей первого класса: базовые, корпусные и другие детали высокой прочности и высокой износостойкости прецизионных станков, т. е. станков повышенной, высокой и особо высокой точности предпочтительно применение чугуна марки СЧ 32-52.

Высокие показатели прочностных свойств и твердости рабочих поверхностей достигаются за счет легирования чугуна никелем, хромом и молибденом.

Ко второму классу отливок относятся базовые и корпусные детали повышенной прочности или износостойкости. Для обеспечения необходимой прочности и жесткости чугун в отливках (в преобладающих по толщине сечения участках) должен иметь предел прочности на растяжение около 20—25 кГ/мм 3 . В зависимости от толщин стенок отливок для обеспечения такой прочности рекомендуется применение следующих марок серого чугуна: СЧ 15-32, СЧ 21-40 и СЧ 28-48.

Отливки второго класса — детали, к которым предъявляются требования по стабильности геометрической формы и не работающие на износ: станины и салазки с накладными направляющими револьверных, токарно-винторезных станков и т.д.

Более подробно применение серого чугуна и других типов чугуна рассмотрено в статье применение чугуна.

Автор: Администрация Общая оценка статьи: Опубликовано: 2011.04.23

Краткие обозначения:
σв	— временное сопротивление разрыву (предел прочности при растяжении), МПа	ε	— относительная осадка при появлении первой трещины, %
σ0,05	— предел упругости, МПа	Jк	— предел прочности при кручении, максимальное касательное напряжение, МПа
σ0,2	— предел текучести условный, МПа	σизг	— предел прочности при изгибе, МПа
δ5,δ4,δ10	— относительное удлинение после разрыва, %	σ-1	— предел выносливости при испытании на изгиб с симметричным циклом нагружения, МПа
σсж0,05 и σсж	— предел текучести при сжатии, МПа	J-1	— предел выносливости при испытание на кручение с симметричным циклом нагружения, МПа
ν	— относительный сдвиг, %	n	— количество циклов нагружения
s в	— предел кратковременной прочности, МПа	R и ρ	— удельное электросопротивление, Ом·м
ψ	— относительное сужение, %	E	— модуль упругости нормальный, ГПа
KCU и KCV	— ударная вязкость, определенная на образце с концентраторами соответственно вида U и V, Дж/см 2	T	— температура, при которой получены свойства, Град
s T	— предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации), МПа	l и λ	— коэффициент теплопроводности (теплоемкость материала), Вт/(м·°С)
HB	— твердость по Бринеллю	C	— удельная теплоемкость материала (диапазон 20 o — T ), [Дж/(кг·град)]
HV	— твердость по Виккерсу	pn и r	— плотность кг/м 3
HRCэ	— твердость по Роквеллу, шкала С	а	— коэффициент температурного (линейного) расширения (диапазон 20 o — T ), 1/°С
HRB	— твердость по Роквеллу, шкала В	σ t Т	— предел длительной прочности, МПа
HSD	— твердость по Шору	G	— модуль упругости при сдвиге кручением, ГПа

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Наиболее широкое распространение в литейном производстве получил сплав железа с углеродом и кремнием, известный под названием серого чугуна. Этот чугун имеет хорошие литейные свойства, значительно дешевле других сплавов и достаточно прочный.

Серый чугун широко применяют в машиностроении, так как он дешев, хорошо обрабатывается, обладает высокими литейными и механическими свойствами. Однако он имеет низкую вязкость, и поэтому отлитые из чугуна детали не должны подвергаться ударному воздействию.

Механическая прочность серого чугуна зависит от формы, величины и распределения графитовых включений, а также от прочности основной металлической массы — структуры.

В расплавленном чугуне углерод находится в растворенном состоянии и равномерно распределяется по всей массе расплава. В твердом чугуне углерод может находиться в виде химического соединения с железом (карбида железа), называемого цементитом. При медленном охлаждении расплавленного чугуна часть углерода выделяется в виде пластинок графита (рис. 3), что придает излому отливок серый цвет. Пластинки графита, вкрапленные в металлическую основу, бывают различными по величине и форме. Нарушая сплошность основы, включения графита делают чугун сравнительно хрупким и снижают его механические свойства. Чем крупнее включения графита, тем ниже прочность чугуна. Структура металлической основы серого чугуна может состоять из феррита и перлита.

Феррит представляет собой почти чистое железо, содержащее незначительное количество углерода; он обладает низкой твердостью и прочностью, но отличается, высокой вязкостью.

Перлит представляет собой смесь цементита (в виде тонких пластинок или округлых зерен) и феррита. В перлите содержится 0,7-0,8% связанного углерода. Перлит имеет достаточно высокую твердость. Чугуны, имеющие перлитную структуру, обладают высокими механическими свойствами.

Кремний способствует выделению графита в чугуне (способствует графитизации чугуна), улучшает его литейные свойства и понижает твердость.

Марганец препятствует выделению углерода в виде графита (графитизации), увеличивает прочность чугуна, способствует образованию цементита (отбелу), часть его соединяется с серой. При содержании марганца более 1,2% увеличивается усадка чугуна и повышается его хрупкость.

Фосфор увеличивает жидкотекучесть чугуна и повышает его хрупкость. При художественном литье применяют чугуны с высоким содержанием фосфора. Для высокопрочных отливок, подвергающихся ударам, содержание фосфора должно быть не выше 0,15%.

Сера тормозит выделение графита, увеличивает усадку и хрупкость чугуна. Сернистые соединения, образующиеся при плавке, частично уходят в шлак и частично остаются в металле в виде отдельных включений.

Серые чугуны по структуре бывают ферритные, перлитно-ферритные и перлитные.

Ферритиый серый чугун состоит из очень вязкой основы — феррита и крупных пластинок графита, что обусловливает его низкую прочность. Такой чугун применяют для производства неответственных отливок.

Перлитно-ферритный серый чугун состоит из перлита, феррита и графита. Такой чугун обладает довольно высокой прочностью, меньшей стоимостью по сравнению с перлитным чугуном и поэтому широко применяется в машиностроении.

Перлитный серый чугун обладает высокой прочностью, умеренной твердостью и хорошей обрабатываемостью резцом. Высокая прочность этого чугуна объясняется присутствием в его структуре перлита и мелких пластинок графита. Вязкость и хорошая обрабатываемость получаются вследствие того, что цементит находится не в свободном состоянии, а в сочетании с вязким ферритом, входящим в состав перлита. Так как перлитный чугун дорог, то идет только на получение ответственных литых деталей машин и станков.

Классификация чугунов по микроструктуре и методы ее определения приведены в ГОСТ 3443-77. Качество чугунных отливок определяют по механическим свойствам (табл. 1).

Большое распространение имеют высокопрочные чугуны, получающиеся за счет малых добавок магния, церия, силикокальция и других присадок, резко изменяющих структуру и прочностные свойства чугуна. Такие чугуны сочетают в себе высокопрочную перлитную и. очень вязкую ферритную основу и наиболее выгодную (шаровидную) форму графита, что обусловливает высокие показатели их механических свойств. Использование высокопрочного чугуна для получения ответственных отливок еще больше расширило область применения чугунов в машиностроении.

Механические свойства серого чугуна для отливок (ГОСТ 1412-70)

Предел прочности при растяжении, кгс/мм2, не менее

Предел прочности при изгибе, кгс/мм2, не менее

Стрела прогиба, мм, при расстоянии между опорами, мм

Установки для автоматической сварки продольных швов обечаек — в наличии на складе!
Высокая производительность, удобство, простота в управлении и надежность в эксплуатации.

Сварочные экраны и защитные шторки — в наличии на складе!
Защита от излучения при сварке и резке. Большой выбор.
Доставка по всей России!

Современное машиностроение просто невозможно представить себе без чугуна. Это не металл, а сплав железа с графитом, визуально представляющий собой как бы пористую металлическую губку. Поры этого сплава заполнены графитом — веществом неметаллического происхождения. Чугун плохо работает на разрыв и в силу этого является довольно хрупким материалом. Достаточно ударить по чугунной болванке тяжелым предметом, и она разлетится на куски.

Самостоятельным видом этого материала является чугун серый, представляющий собой сплав железа с углеродом, в котором невооруженным глазом видны включения пластинчатого, волокнистого и крабовидного характера. Серый чугун представлен целой группой марок, среди которых можно выделить высокопрочный чугун, в состав которого входит графит глобулярной формы. Данная разновидность серого чугуна создается с помощью модификации его магнием, церием и рядом других элементов.

Основа чугуна зависит от нескольких факторов и, в частности, от скорости охлаждения после окончания отвердевания, размера детали и пр. В зависимости от этого чугун принимает перлитную металлическую, ферритно-перлитную или чисто ферритную основу. Чем выше скорость охлаждения, тем большей оказывается процентное содержание перлита и тем выше прочность чугуна. Однако прочность в этом случае обратно пропорциональна пластичности. Серый чугун имеет широкую область применения, и в каждом конкретном случае выбирается именно та марка, которая оптимально соответствует поставленным задачам.

Металлическая основа серого чугуна является основополагающим фактором возникновения у него тех или иных механических характеристик. Перлитная основа так или иначе влияет на износостойкость и прочность чугуна. Во времена Советов марки серых чугунов определялись государственными стандартами, и данная маркировка действует по сей день. Согласно ГОСТ 1412-85, применяется буквенно-числовое обозначение марок серого чугуна. СЧ — постоянное для всех серых чугунов сочетание букв; цифры же указывают на наименьший предел прочности при растяжении. Цифрами до 10 маркируются ферритные чугуны; от 10 до 18 – ферритно-перлитные; свыше 25 – перлитные. Следует отметить, что 4/5 всего производства чугуна занимает именно чугун серый с пластинчатым графитом.

Свойства серого чугуна

Свойства данного материала обеспечили ему широкое применение в машиностроении. Кристаллизуется он при довольно низких температурах, дает малую усадку, в жидком состоянии сохраняет высокую текучесть. Его литейные свойства оцениваются как высокие. Серый чугун служит основным материалом для цилиндров и поршней самых разных механизмов, станин станков и пр. Склонность данного вида чугуна к растрескиванию при сварке обуславливает необходимость проявления особой осторожности при работе с заготовками. Практикуемое довольно часто отбеливание чугуна, используемое во время сварки, с одной стороны, делает его более твердым, а с другой, исключает всякую возможность его механической обработки.

Существуют и такие сорта серого чугуна, которые вообще сварке не подлежат. В частности, т. н. горелый чугун, который претерпел длительное воздействие повышенных температур, был обработан кислотами или горячим паром.

Как влияет химический состав серого чугуна на его характеристики

Графитизация чугуна напрямую связана с наличием в нем следующих основных элементов.

Углерод

Чем выше процент содержания углерода в сером чугуне, тем он менее прочен, тверд и упруг. С другой стороны, углерод способствует повышению таких его свойств, как циклическая вязкость и пластичность. Иными словами, достижение определенных показателей прочности уменьшает его литейные свойства. Оптимальный процент вхождения углерода в состав серого чугуна составляет 2,4-4,2%.

Кремний

Кремний оказывает точно такое же влияние на процесс графитизации, как и углерод. Но при этом он способен кардинальным образом изменять механические свойства серого чугуна, т. к. образует твердое соединение с ферритом и повышает его твердость, уменьшает вязкость.

Совокупный эффект кремния позволяет варьировать механические характеристики серого чугуна, и увеличение его концентрации в сплаве приводит к росту графитовых включений и объема феррита. При этом уменьшаются показатели прочности чугуна и его пластичность (из-за образования силикоферрита). Что же касается твердости – по мере увеличения процента вхождения кремния она вначале понижается, затем снова возрастает благодаря образованию силикоферрита. Как правило, способность кремния и углерода изменять механические характеристики чугуна рассматривают совместно, и с этой целью принимают во внимание их суммарное содержание. В процессе более точных расчетов определяют т. н. углеродный эквивалент.

Эвтектика Fe-FeS обладает способностью уменьшать показатели пластичности и прочности серого чугуна за счет ослабления границ зерен, а также способствовать перлитизации его структуры. Благодаря этому растут твердость и прочность ферритного и ферритно-перлитного сплавов, которые становятся более износостойкими.

Марганец

Марганец имеет обыкновение замедлять графитизацию, легировать феррит, размельчать перлит и способствовать появлению свободных карбидов. При взаимодействии с серой этот элемент нивелирует ее вредное воздействие. Именно по этой причине процентное содержание марганца в сером чугуне бывает продиктовано содержанием серы. Малосернистые чугуны, соответственно, содержат меньший процент марганца.

Фосфор

Роль фосфора заключается в том, чтобы легировать феррит, облегчать размельчение зерна и образовывать включения фосфидной эвтектики. Чем больше фосфора содержится в сером чугуне, тем более твердым и износостойким он оказывается.

Повышение содержания хрома в чугунных отливках приводит к росту их твердости и прочности, однако наиболее явно этот процесс прослеживается у модифицированного чугуна. Способность хрома замедлять графитизацию делает его карбидообразующим элементом. Тонкие сечения при увеличении вхождения хрома демонстрируют более явное увеличение твердости, нежели толстые.

Никель

Данный элемент способен нивелировать механические характеристики чугунных отливок различной толщины. В случаях, когда процентное содержание никеля в сером чугуне превышает 3%, отливки демонстрируют одинаковые показатели прочности при толщине стенок в диапазоне 22-88 мм. С увеличением вхождения никеля на 1% показатели твердости серого чугуна растут примерно на 10 НВ. Одновременно растет способность чугуна противостоять коррозии и агрессивным щелочным средам. Важно и то, что никель способствует улучшению обрабатываемости серого чугуна и его герметичности (благодаря ему графит обретает благоприятную форму с одновременным уменьшением величины зерен).

Молибден

Данный элемент замедляет графитизацию и считается активным карбидообразующим веществом, приводит к увеличению твердости и прочности серого чугуна. Каждый дополнительный процент молибдена увеличивает прочность на 1 кГ/мм2. Характерно, что при этом ударная вязкость не снижается, а наоборот, возрастает. При высоких температурах Мо укрепляет прочность чугуна, и наиболее эффективного результата можно достичь при вхождении 1,9% Мо. Более высокая его концентрация приводит к образованию ледебурита и снижению прочности. Молибден делает чугун более износостойким.

Двойное действие меди, оказываемое ею на чугун, заключается в ускорении графитизации и образовании перлита. Чем выше процент меди в сплаве, тем меньше усадка и выше жидкотекучесть серого чугуна. С увеличением вхождения меди растут и его модуль упругости, твердость и прочность.

Медистый чугун лучше поддается обработке, нежели нелегированный. Если добавить медь к чугуну, легированному молибденом, ванадием, хромом, он станет менее твердым и не столь хрупким. Благодаря меди происходит образование тонкопластинчатого перлита, а стойкость медистого чугуна к коррозии увеличивается. На показатели прочности на растяжение и твердости существенное влияние оказывает эвтектичность.

Олово

Данный элемент способен повышать прочность, твердость и модуль упругости чугуна при содержании его в сплаве до 0,1%. Одновременно с этим растет склонность серого чугуна к отбелу, и, чтобы избежать подобной ситуации, содержание в нем олова устанавливают на уровне 0,05-0,08%. При выборе между двумя легирующими элементами — оловом и хромом — специалисты рекомендуют использовать олово, сообщающее чугуну равномерные показатели твердости по различным сечениям и уменьшение образования окалины.

Сурьма

Этот элемент, как и олово, противодействует образованию свободного феррита, но исполняет свою роль более эффективно при содержании Sb в количестве 0,015%. При этом меньшая концентрация элемента (0,03-0,08%) способствует хорошему легированию серого чугуна. Если Sb содержится в чугуне в концентрации до 0,1%, прочность его увеличивается вплоть до достижения чисто перлитной структуры. Однако дальнейшее повышение концентрации Sb приводит к снижению прочности, т. к. сурьма оказывает влияние на процессы кристаллизации металлической основы, но не распределяет графитовые включения и не влияет на форму. Что же касается ударной вязкости, при легировании Sb данный показатель снижается. Также повышение процентного содержания сурьмы уменьшает чувствительность серого чугуна к толщине стенки.

Бор при условии мизерных добавок его к чугуну оказывает на него графитизирующее воздействие, видимо увеличивает ударную вязкость и стрелу прогиба. Более высокая концентрация этого элемента приводит к снижению вязко-пластичных свойств и увеличению прочности.

Если подобрать оптимальное соотношение бора и кремния, можно добиться равномерного распределения цементитной сетки на базе перлита, причем в широком диапазоне толщин стенок и эвтектичности серого чугуна. Существует возможность добиться твердости чугуна на уровне 260 НВ, варьируя концентрацией вводимого бора. Примерно такое же действие на характеристики серого чугуна оказывают добавки бора с алюминием. Промышленное значение легирования чугуна бором состоит в возможности сообщения ему высоких показателей износостойкости без потери обрабатываемости.

На практике обычно применяют комплексное легирование, когда в серый чугун вводится не один, а сразу несколько различных элементов.

Сварка серого чугуна

К сварке чугуна обычно прибегают в следующих случаях:

• при необходимости восстановить изношенные детали различных механизмов;
• при изготовлении узлов и деталей комбинированного типа, состоящих из чугуна и чугуна в комбинации с прочими сплавами;
• при устранении разного рода литейных дефектов.

Для сварки серого чугуна применяют различные методы: электродуговой, газовый, а также электроконтактный (при необходимости сварить детали из чугуна и меди, бронзы, латуни).

Эксплуатационные характеристики серого чугуна

Одним из важнейших его качеств является износостойкость, которая выражается скоростью потери металла и измеряется в весовых и линейных единицах.

Износостойкость

В свою очередь, износ бывает абразивный (возникающий при сухом трении) и эрозионно-кавитационный (возникающий при трении со смазкой).

В случае серого чугуна износостойкость поставлена в зависимость от таких его показателей, как структура и твердость. Высокой износостойкостью характеризуются те виды, в которых размеры графитовых включений минимальны. В то же самое время феррит в структуре серого чугуна демонстрирует свои полезные свойства лишь при невысоких скоростях и небольшом давлении (при трении качения и постоянном вращении в одну сторону). Как показывает практика, при трении скольжения и разностороннем вращении преимущества остаются за перлитной структурой серого чугуна.

Также износостойкость зависит и от твердости (с ростом этого показателя износостойкость повышается). Детали, подвергающиеся постоянному ударно-абразивному износу, должны обладать высокой твердостью. С этой целью и применяется легирование серого чугуна.

Герметичность

Данный показатель выражается скоростью утечки, снижением давления и изменениями пограничных параметров, появлением течи. Детали из чугуна, работающие в условиях давления газов или жидкостей, должны обладать высокой герметичностью: трубопроводы, арматура, элементы тормозных пневматических систем, гидроприводная аппаратура, резервуары, отливки компрессоров и насосов.

Снижению герметичности способствует наличие в структуре серого чугуна раковин и микропор. Особенно важно избежать в отливке т. н. транзитной микропористости, т. е. сообщающихся друг с другом пор.

Роль серого чугуна в станкостроении

Детали, изготовленные из серого чугуна, могут относиться к первому или второму классу отливок.

Отливки первого класса

К первому классу относят детали, требующие повышенной прочности и износостойкости: базы и корпуса станков. Прочность и жесткость всей конструкции определяется характеристиками чугуна в преобладающих по толщине деталях, которые должны обладать пределом прочности на растяжение порядка 25-30 кГ/мм, а также высоким модулем упругости — около 1,15-1,30. Учитывая, что по производственным причинам могут быть изготавливаться детали различной толщины стенок, рекомендуется использовать марки чугуна СЧ 21-40, СЧ 28-48, СЧ 32-52.

Как правило, детали первого класса принимают на себя высокие нагрузки, например зубчатые колеса или кронштейны. К стабильности их геометрической формы предъявляются весьма высокие требования. То же самое касается и деталей, которые работают в условиях сильного трения скольжения при обилии смазки и общей загрязненности. Также высокие нагрузки испытывают и детали, работающие в условиях трения качения, например станины различных станков (токарно-винторезных, горизонтально- и координатно-расточных, резьбошлифовальных, револьверных и пр.). Другими деталями, к которым предъявляются повышенные требования к стабильности геометрической формы, это поперечины, ползуны, шабровочные и поверочные плиты. Некоторые детали должны демонстрировать устойчивость геометрической формы и под давлением свыше 80 кг/см. Речь идет о корпусах насосов, цилиндрах, золотниках и прочих деталях гидро- и пневмоаппаратуры.

Отливки первого класса должны обладать твердостью и оптимальной микроструктурой. Так, направляющие на глубине 75% припуска на механическую обработку должны демонстрировать твердость как минимум 180 НВ (за исключением тяжелых отливок, вес которых превышает 7 т, или направляющих толщиной свыше 100 мм; для них требования к твердости уменьшаются на 10 единиц, до 170 НВ). В некоторых случаях, когда направляющим скольжения не грозят посторонние загрязнения, например при отсутствии контакта с направляющими других деталей, допускается аналогичное снижение твердости.

Что касается микроструктуры отливок, тут требования следующие. При весе отливок до 4 т и толщине направляющих до 60 мм микроструктура отливок должна представлять собой мелкопластинчатый высокодисперсный перлит, составляющий порядка 98% всего объема отливки. Остальной объем должен быть составлен мелкими (10-125 мкм) включениями графита, представляющими колонии или отдельные пластинки. При весе отливок 4-10 т и толщине направляющих до 100 мм процент перлита может быть снижен до 95%. Наиболее тяжелые станочные отливки — масса которых превышает 10 т или толщина направляющих у которых более метра, процент перлита в сером чугуне может составлять 90%, а размеры графитовых включений находятся в диапазоне 10-250 мкм.

Отливки второго класса

Ко второму классу обычно относят детали баз и корпусов станков, требующих повышенной прочности и износостойкости, в особенности на участках преобладающей толщины. Предел прочности на растяжение должен составлять не менее 20-25 кГ/мм3. Учитывая, что в станкостроении возникает потребность в отливках различного размера и толщины стенок, для гарантированного достижения необходимых показателей прочности специалисты рекомендуют использовать серый чугун следующих марок: СЧ 15-32, СЧ 21-40 и СЧ 28-48.

В отличие от отливок первого класса, работающих на износ, детали второго класса на износ не работают, но тем не менее к ним тоже предъявляются требования по сохранению стабильной геометрической формы. Это станины и салазки с направляющими многих станков, в частности токарно-винторезных, револьверных и пр. Легирование чугуна такими элементами, как хром, никель, молибден, позволяет достичь хороших показателей прочности и твердости.