Серые литейные чугуны

Серым называется чугун, в котором часть или весь углерод находится в свободном состоянии в виде графита, имеющего в плоскости микрошлифа форму прямолинейных или слегка изогнутых пластин, а также разветвленных розеток с пластинчатыми лепестками (см. рисунок 1, а). В серых чугунах кроме железа и углерода содержится кремний, а также марганец, фосфор и сера, как неизбежные примеси. Графит придает излому чугуна темно-серый цвет.

В машиностроении наиболее широкое применение получили доэвтектические чугуны, содержащие 2,4–3,8 % углерода. С повышением содержания углерода графита образуется больше, что снижает механические свойства чугуна. По этой причине количество углерода в серых чугунах обычно не более 3,8 %. уменьшение содержания углерода снижает жидкотекучесть чугуна – способность хорошо заполнять литейную форму. Поэтому в серых чугунах содержится углерода не менее 2,4 %.

Кремний способствует графитизации, он – обязательная присадка в серых чугунах. Графитизации способствуют также увеличенное содержание углерода, введение в чугун меди и никеля.

Марганец затрудняет графитизацию, способствует отбелу чугуна, т.е. увеличению в структуре связанного углерода. Содержание марганца в серых чугунах не превышает 1,4 %. Аналогичное влияние оказывают сера и хром.

Фосфор оказывает двоякое влияние на чугун. Фосфор связан с железом и углеродом в "фосфидной" эвтектике, высокая твердость и хрупкость которой делает чугун твердым и хрупким. По этой причине – содержание фосфора в сером чугуне не должно превышать 0,2 %. Но фосфидная эвтектика, имея низкую температуру плавления (950 °С), улучшает литейные свойства чугуна: он становится более жидкотекучим, хорошо заполняет литейную форму. Чугуны с повышенным содержанием фосфора (до 1,0 %) применяются для художественного литья.

Высокая твердость фосфидной эвтектики делает чугун износоустойчивым. Отливки, от которых требуется высокая износоустойчивость, изготавливаются из чугунов с повышенным содержанием фосфора (до 0,7 %).

Сера – вредная примесь. Помимо отбеливающего влияния, она ухудшает литейные свойства чугуна: снижает жидкотекучесть, увеличивает усадку и склонность к образованию трещин. Содержание серы – не более 0,12 %.

Структура серых чугунов показана на рисунке 4. Она состоит из металлической основы и графитовых включений пластинчатой формы. Свойства серого чугуна зависят от структуры металлической основы, формы, величины, количества и характера распределения включений графита.

Рисунок 4 – Микроструктура серого литейного чугуна: а – перлитного; б – феррито-перлитного; в – ферритного

Наибольшей прочностью обладает чугун с перлитной метал­лической основой, наименьшей – с ферритной. Чугуны с ферритно-перлитной металлической основой занимают промежуточное положение. Твердость чугуна определяется твердостью металлической основы и колеблется в пределах HB 143-289 кгс/мм².

Решающее влияние на механические свойства чугуна оказывает графитная составляющая структуры. Как уже указывалось, пластинчатый графит сильно разобщает металлическую основу, снижая тем самым механические свойства чугуна. Особенно сильно снижают прочность прямолинейные крупные графитовые включения. Такой чугун имеет грубозернистый излом. Прочность серого чугуна увеличивается при уменьшении количества графита, мелком и завихренном графите, увеличении изолированности графитовых включений друг от друга.

Пластинки графита сильно уменьшают сопротивление чугуна отрыву и мало влияют на снижение предела прочности при сжатии. Поэтому чугун более целесообразно использовать для изделий, работающих на сжатие.

Кроме отрицательного графит оказывает и положительное влияние на свойства чугуна. Серый чугун мало чувствителен к внешним концентраторам напряжений (надрезам, дефектам поверхности и др.), что связано с тем, что графит нарушает сплошность металлической основы. Графит, обладая "смазывающим" действием, повышает износостойкость и антифрикционные свойства чугуна, улучшает обрабатываемость резанием, делая стружку ломкой.

Структура серого чугуна зависит не только от химического состава, но и от скорости охлаждения в процессе первичной кристаллизации. Эту скорость на практике удобно характеризовать толщиной стенки отливки; чем тоньше стенка, тем скорость охлаждения отливки больше, и наоборот.

При данном содержании углерода и кремния в чугуне графитизация его структуры тем полнее, чем медленнее отводится тепло (чем толще стенка отливки). Увеличение скорости охлаждения (тонкая стенка) снижает степень графитизации. Следовательно, в чугунах, из которых отливаются тонкостенные отливки, надо увеличивать содержание кремния. Толстостенные отливки охлаждаются медленно, содержание кремния в них может быть меньше. Наглядное представление о влиянии углерода, кремния и скорости охлаждения (толщины стенки отливки) на степень графитизации чугуна дают структурные диаграммы чугунов.

Серые чугуны получают название по металлической основе. Различают три вида серых чугунов: перлитный, феррито-перлитный и ферритный чугун. В структуре перлитного чугуна наблюдается перлит (металлическая основа) и включения пластинчатого графита (см. рисунок 4, а); феррито-перлитного чугуна – феррито-перлитная металлическая основа и пластинчатый графит (см. рисунок 4, б); ферритного чугуна – феррит (металлическая основа) и включения пластинчатого графита (см. рисунок 4, в).

Стандартные марки серых чугунов обозначаются по ГОСТ 1412–85 буквами C – серый и Ч – чугун. После букв следует число, означающее предел прочности при растяжении в кгс/мм². Например: СЧ 20 – серый чугун, предел прочности при растяжении 20 кгс/мм² (200 МПа).

Согласно ГОСТ 1412–85 различают следующие марки серых чугунов: СЧ 10; СЧ 15; СЧ 20; СЧ 25; СЧ 30; СЧ 35; СЧ 40; СЧ 45. Кроме этих марок указанный ГОСТ содержит марки: СЧ 18; СЧ 21; СЧ 24. Марки СЧ 21 и СЧ 24 предназначены для автомобильной промышленности.

Характеристика и примеры применения отливок из серого чугуна: СЧ 10 – неответственное литье (плиты, грузы, корыта, крышки и т.п.); СЧ 15 – малоответственное литье с толщиной стенки 8–15 мм (шкивы, маховики, арматура, тонкостенные отливки, блоки цилиндров и компрессоров, радиаторы, трубы, ванны, детали счетных, швейных, текстильных машин и т.п.); СЧ 20 – ответственное литье с толщиной стенки 10–30 мм, работающие при температуре до 300 °C (блоки цилиндров, зубчатые колеса, станины с направляющими большинства металлорежущих станков, тормозные барабаны); СЧ 25 – ответственное сложное литье с толщиной стенки 20–60 мм (детали, работающие при температуре до 300 °C: корпуса насосов и гидроприводов, поршни и гильзы дизелей, цилиндры и головки дизелей, рамы, блоки цилиндров, головки блоков, зубчатые колеса и т.п.); СЧ 30 – ответственное высоконагруженное литье с толщиной стенки 20–100 мм; детали, работающие при температуре до 300 °C (маховики, тормозные барабаны, картеры и др.); СЧ 35 – ответственное тяжелонагруженное литье с толщиной стенки 200 мм и более (крупные толстостенные втулки, зубчатые колеса, крупные коленчатые валы; цепные звездочки, зубчатые и червячные колеса, тормозные барабаны, муфты, диски сцепления, клапаны, поршневые кольца).

Для повышения механических свойств серого чугуна применяют модифицирование. Модифицирование состоит в том, что в расплав серого чугуна в желобе вагранки или в ковше вводят измельченные ферросилиций или силикокальций. Вводят также комплексные модификаторы: кремний, алюминий, цирконий и др. Модификаторы измельчают структурные составляющие чугуна. В модифицированных чугунах распределение графитовых включений более равномерное. Чугуны марок СЧ 30, СЧ 35, СЧ 40, СЧ 45 относятся к модифицированным.