Серый чугун: виды, марки, свойства

За счет графитовых вкраплений в железном сплаве серый чугун был выделен в качестве отдельного вида. При охлаждении эти включения имеют вид хлопьев или пластин, благодаря чему такой материал выглядит как пористая губка. Серый чугун очень хрупок, и его легко можно разбить на куски одним ударом кувалды.

Процентный состав углерода 2,14 %. Такое высокое содержание не позволяет говорить о нормальной растворимости, поэтому и возникают хлопьевидные или пластинчатые вкрапления. Но, несмотря на хрупкость серого чугуна, его литейные характеристики довольно высоки, поэтому он активно применяется в машиностроении. О других особенностях этого материала поговорим далее.

Что такое серый чугун

Стальные сплавы всегда имеют более высокую цену, чем чугунные, что связано с дорогим и технологически сложным производством. По этой причине чугун используют в сферах, в которых экономия на материале не мешает эксплуатации изделий.

Существует пять основных разновидностей чугуна, причем в основе классификации лежит форма графита в микроструктуре кристаллической решетки. Выделяют серый чугун, белый, ковкий, особой прочности, половинчатый, причем первый является самым хрупким. Это объясняется тем, что частички графита в нем заменяет ледебурит.

К серым чугунам, относится несколько ковких высокопрочных сплавов, из-за чего возникает путаница в терминологии. Решить вопрос позволяет применение типовых стандартов, согласно которым серым чугуном называется материал на основе железа, графита и других компонентов. Примеси придают металлу определенные характеристики либо легируют его.

Поэтому, отвечая на вопрос о том, как получают серый чугун, нужно отметить, что он является просто сплавом железа и углерода, при охлаждении металлической базы которого образуются включения в виде пластин и хлопьев. Углерод обеспечивает повышение пластичности с параллельным снижением прочности, оптимизирует литейные характеристики, способствует графитизации.

Химический состав серого чугуна

• Доля углерода составляет 2,4–3,8 %. Меньший объем растворится в металле, а больший приведет к потере материалом упругости, жесткости.
• Количество кремния находится на уровне 1,3–2,6 %. Данный элемент обеспечивает протекание графитизации, приводит к снижению вязкости, увеличению твердости серого чугуна. Но при превышении порога в 3 % ухудшаются показатели пластичности. Принято оценивать зависимость технико-физических параметров металла от углерода вместе с кремнием, а именно: смотрят на их суммарное содержание в структуре.

• Доля серы не более 0,13–0,16 %. Этот компонент находится в сплаве в виде сульфида железа и негативно отражается на пластичности, твердости. При закреплении на кристаллах снижает механические параметры чугуна, повышает усадку, вызывает красноломкость металла, из-за которой при нагревании образуются трещины.

  

  Перекрыть вредное влияние серы позволяет добавление марганца, благодаря которому запускается формирование карбидов железа. Необходимый объем марганца подбирается в соответствии с содержанием серы, обычно его требуется добавить в пределах 0,4–1,2 %.

• Содержание фосфора до 0,5–0,6 %. В сером чугуне он присутствует в виде фосфидной эвтектики, улучшает стойкость металла к износу, но параллельно провоцирует хрупкость и повышение жидкотекучести. В машиностроительных отливках не допускается доля фосфора более 0,2 %. В разные марки сплава могут входить и иные компоненты.
• Никель играет роль легирующего элемента, способствует выравниванию механических характеристик в отливках, увеличению твердости, устойчивости к коррозии, повышает обрабатываемость.
• Хром в составе серого чугуна вызывает активное образование карбида, обеспечивает прочность, жесткость металла.
• Олово отвечает за равномерное распределение твердости.
• Молибден и никель способствуют стойкости к протеканию окислительных процессов.
• Медь сокращает временные затраты на графитизацию, улучшает обрабатываемость, упругость, стойкость к формированию очагов ржавчины.
• Сурьма присутствует в количестве не более 0,08 % и воздействует на процесс кристаллизации.
• Бор приводит к увеличению прочности, образованию измельченных карбидов. В малых объемах он приводит к графитизации, повышению прочности на прогиб и ударной вязкости. Однако увеличение количества бора негативно сказывается на таких характеристиках серого чугуна, как пластичность и вязкость.
• Титан ускоряет графитизацию, если его не более 0,5 %. В противном случае обеспечивает обратный эффект.
• Магний при его доле в сплаве до 0,01 % благотворно сказывается на графитизации. В большем количестве считается мощным десульфуратором, повышает отбел.
• Молибден вызывает повышение твердости, стойкости металла к износу, при этом сохраняет на прежнем уровне обрабатываемость.

Химический состав серого чугуна разных марок (ГОСТ)

В соответствии с ГОСТом, серый чугун может быть таких марок:

Литейные характеристики серого чугуна

Серый чугун обладает повышенными литейными свойствами, к которым относятся:

• малая усадка;
• текучесть в виде расплава;
• пониженная температура кристаллизации серого чугуна;
• отсутствие предрасположенности к формированию раковин.

В процессе эксплуатации отливок из серого чугуна ключевыми качествами считаются уровень устойчивости к растрескиванию, порообразование, предел прочности. Все они определяются структурой металла: чем меньше размеры и число графитовых включений, тем выше данные характеристики. Для изделий, на которые часто оказывается ударно-абразивное воздействие, важна повышенная прочность.

При обработке сваркой изделия из серого чугуна растрескиваются, а некоторые виды этого сплава в принципе не могут свариваться. Твердость данного металла по Бринеллю установлена в пределах 143–262.

Механические свойства серого чугуна

Для конечного пользователя отливок из серого чугуна важны не только уже описанные выше литейные свойства, но и такие характеристики:

• прочность;
• стойкость к износу при воздействии трением;
• герметичность или устойчивость к появлению трещин, пор.

Данные качества определяются структурой и твердостью металла, а именно: чем мельче графитовые пластинки в структуре деталей из серого чугуна, тем эти свойства выше. От отливок, постоянно испытывающих на себе ударные и абразивные нагрузки, требуется особенно высокая твердость.

Изделия, работающие при большом давлении жидкостей и газов, то есть трубопроводы, насосы, компрессоры, гидравлические приводы, должны показывать максимальную герметичность. Данное качество определяется текучестью металла, изменением давления, присутствием транзитной микропористости.

Перлитный серый чугун имеет самую высокую прочность, поэтому используется как материал для деталей, подвергаемых в процессе эксплуатации высоким нагрузкам.

Не стоит забывать, что серый чугун при сварке может растрескиваться, причем некоторые его разновидности в принципе не свариваются.

ГОСТ 1412-85 устанавливает для данного металла следующий набор механических свойств:

Примерное временное сопротивление при растяжении и твердость в стенках отливок из серого чугуна по ГОСТ 1412-85 находится на следующем уровне:

Виды серого чугуна

Технико-эксплуатационные характеристики металла определяются его химическим составом и структурой. Поэтому виды чугуна принято классифицировать в соответствии со временем охлаждения после затвердевания, так как от данного фактора зависит качество сплава.

Выделяют такие виды данного металла:

• Перлитный. Если отливка после термообработки быстро охлаждается, то перлитная основа состоит преимущественно из феррита, карбида, тонких включений графита. Такой серый чугун отличается высокой твердостью, прочностью, плотностью.
• Ферритно-перлитный. При замедленном охлаждении в микроструктуре повышается концентрация сплава железа с прочими металлами, что обеспечивает высокую пластичность. Ферритный серый чугун образуется благодаря стремительному охлаждению, в результате в нем присутствуют довольно вязкий феррит и свободный углерод. Последний имеет форму тонких пластинок графита в сером чугуне.

При большом содержании графита меняются механические свойства сплава, снижается сопротивляемость растяжению. Данный компонент позитивно сказывается на устойчивости металла к износу, обрабатываемости, а также гасит вибрации, понижает усадку.

Сферы применения серого чугуна

Серый чугун входит в число наиболее востребованных сплавов – в черной металлургии на него приходится около 80 % всего объема производства. В машиностроении используют разновидности с большой долей углерода, поскольку ценится их способность поглощать вибрацию, неизбежную в процессе функционирования механизмов.

Из такого металла изготавливают:

• втулки;
• станины для станков;
• массивные основания для оборудования.

Добиться от серого чугуна определенных характеристик позволяет легирование молибденом, хромом. Высокая стойкость к износу при трении из-за отсутствия смазки требуется таким элементам механизмов:

• нажимным дискам сцепления;
• блокам;
• крышкам подшипников;
• тормозным дискам, барабанам.

До сих пор на рынке большим спросом пользуются чугунные изделия в следующих областях:

• сантехника;
• посуда для кухни;
• трубы, радиаторы отопления;
• ограждения, скульптуры.

Для получения любого изделия из серого чугуна выбирают марку, которая лучше всего подходит для предполагаемых условий использования предмета. К 1-му классу относятся изделия с такими характеристиками:

• предел прочности на растяжение в 25–30 кг/мм2;
• модуль упругости в 1,15–1.30×10 – 6 МПа;
• стабильность формы.

Под разную толщину будущих изделий подбирают серый чугун с маркировками СЧ21-СЧ40, СЧ28-СЧ48.

Детали первого класса подвержены сильному износу, поэтому их важными свойствами является мелкопластинчатая структура перлита и твердость в пределах 180 НВ. Серый чугун для производства ответственных деталей маркируется как СЧ32-СЧ-52.

Ко второму классу относят корпусные части и базовые элементы конструкций, которые не должны работать на износ в процессе эксплуатации. Речь идет о:

• станинах токарных, револьверных станков;
• листопрокатных валках;
• деталях сменного оборудования.

Серый чугун в этом случае имеет прочность до 20–25 кг/мм2. Добиться столь высоких показателей позволяют марки СЧ15-СЧ32, СЧ21-СЧ40.

Изделия из литого чугуна востребованы во многих сферах производства, так как в них большой срок эксплуатации сочетается с минимальной стоимостью.