Какими свойствами обладают серые чугуны

сурьма цинк сталь маркировка

К чугунам относятся сплавы железа с углеродом, содержание которого превышает 2,14%. В этих сплавах обычно присутствует также кремний и некоторые количества марганца, серы и фосфора, а иногда и другие элементы, вводимые как легирующие добавки для придания чугуну определенных свойств. К числу таких легирующих элементов можно отнести никель, хром, магний и др.

В зависимости от структуры чугуны подразделяют на белые и серые. В белых чугунах весь углерод связан в химическое соединение карбид железа Fe3C — цементит. В серых чугунах значительная часть углерода находится в структурно-свободном состоянии в виде графита. Если серые чугуны хорошо поддаются механической обработке, то белые обладают очень высокой твердостью и режущим инструментом обрабатываться не могут. Поэтому белые чугуны для изготовления изделий применяют крайне редко, их используют главным образом в виде полупродукта для получения так называемых ковких чугунов. Получение белого или серого чугуна зависит от его состава и скорости охлаждения.

Главный процесс, формирующий структуру чугуна, — процесс графитизации (выделение углерода в структурно-свободном виде), так как от него зависит не только количество, форма и распределение графита в структуре, но и вид металлической основы (матрицы) чугуна. В зависимости от степени графитизации матрица может быть перлитно-цементитной (П -f- Ц), перлитной (П), перлитно-ферритной (П Ч- Ф) и ферритной (Ф). Цементит перлита называют эвтектоидным, остальной цементит — структурно-свободным. Некоторые элементы, вводимые в чугун (в порядке силы действия: С, Si, Ni, Co, Cu ), способствуют графитизации, другие — препятствуют(S, V, Cr, Sn, Mo, Mn). Наибольшее графитизирующее действие оказывают углерод и кремнии, наименьшее — кобальт и медь. Наиболее сильно задерживают процесс графитизации (оказывают отбеливающее действие) сера, ванадий, олово. Поэтому в серых литейных чугунах всегда содержится значительное количество кремния.

Структура серого чугуна

Серый чугун — такое название серые чугуны получили по серому цвету излома в отличие от серебристого цвета излома белых чугунов. Серый цвет излому придает углерод, входящий в состав серого чугуна в свободном состоянии в виде графита. Графит образуется в серых чугунах в результате распада хрупкого цементита. Этот процесс называют графитизацией. Распад цементита вызывают искусственно путем введения кремния или специальной термической обработки белого чугуна.

Структура серых чугунов состоит из металлической основы и несвязанных с нею включений графита. Механические свойства серых чугунов зависят от структуры металлической основы, количества углерода и конфигурации включений графита.

Металлическая основа в серых чугунах состоит из одного феррита, или одного перлита, или их смеси. Наиболее прочным, но в то же время наименее пластичным, является чугун на перлитной основе.

Чугун на ферритной основе обладает наивысшей пластичностью при наименьшей прочности. Структура металлической основы зависит от режима термической обработки или от количества кремния. При увеличении количества вводимого кремния возрастает степень графитизации. При введении около 5% кремния в структуре серого чугуна цементит полностью отсутствует и металлическая основа состоит из одного феррита. Выплавляют серые чугуны на всех трех металлических основах.

Графитовые включения в чугуне не связаны с металлической основой. Поэтому при увеличении содержания углерода повышается объем графитовых включений, что снижает их прочность. Этим обусловлено сравнительно небольшое содержание углерода (от 3,5 до 4,5%) в передельных коксовых чугунах, применяемых для производства отливок из серых чугунов.

Конфигурация графитовых включений значительно влияет на механические свойства серых чугунов. Наихудшими свойствами обладают чугуны с пластинчатыми включениями графита, наилучшими — с глобулярными (шаровидными) или хлопьевидными включениями, средними — чугуны с точечными включениями графита. Конфигурация включения графита зависит от способа получения серого чугуна.

Серые чугуны с пластинчатым графитом (ГОСТ 1412-79) выпускают марок от СЧ10 до СЧ45. В марках, буквы означают наименование чугуна, цифры — предел прочности чугуна, Н/мм2, при растяжении. Графитизация в серых чугунах достигается введением в их состав от 1 до 2,9% кремния. При этом образуются пластинчатые графитовые включения.

Для получения более высоких механических свойств производят модификацию серого чугуна. В расплавленный чугун вводят 0,3-0,8% модификаторов, в качестве которых применяют ферросилиций или силикокальций, содержащий 70-65% кремния и 30-35% кальция. При такой модификации графит распределяется в виде точечных включений;

Высокопрочные чугуны (ГОСТ 7293-79) — разновидность серых чугунов, которые получают при модификации их магнием или церием. Графитовые включения в этих чугунах имеют шаровидную форму. Такие чугуны при высоком пределе прочности до 12 МПа обладают и относительно высоким удлинением до 17%. Высокопрочные чугуны выпускают марок от ВЧ38-17 до ВЧ120-2. Буквы означают наименование чугуна, первые две цифры — предел прочности при растяжении чугуна, кгс/мм2, вторые — относительное удлинение при растяжении, %.

Область применения серого чугуна

В зависимости от распада цементита различают ферритный, феррито-перлитный и перлитный серые чугуны. Серый чугун обладает высокими литейными свойствами, хорошо обрабатывается, менее хрупок, чем белый чугун, ему присущи хорошие антифрикционные свойства, что объясняется пористым строением и наличием графита. Иногда в структуре чугуна наряду с графитом содержится ледебурит. Такой серо-белый чугун называют половинчатым. Основные его свойства: высокая твердость, хрупкость и низкая прочность. Серый чугун широко применяют в автотракторном и сельскохозяйственном машиностроении для производства отливок, поэтому его называют литейным. Из него изготавливают станины металлорежущих станков, блоки и гильзы автомобильных и тракторных двигателей, поршневые кольца, корпуса и др. Выбор марки чугунов для конкретных условий работы обусловливается совокупностью технологических и механических свойств. Ферритные серые чугуны СЧ10, СЧ15, СЧ18 предназначены для слабо- и средненагруженных деталей: крышки, фланцы, маховики, диски сцепления и др. Феррито-перлитные СЧ20, СЧ21, СЧ25 применяют для деталей, работающих при повышенных статических и динамических нагрузках: блоков цилиндров, картеров двигателя, поршней цилиндров, барабанов сцепления и др. Перлитные серые модифицированные чугуны СЧЗ0, СЧ35, СЧ40, СЧ45 обладают наиболее высокими механическими свойствами и их используют для изготовления гильз цилиндров, распределительных валов и др.

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.

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