Характеристики и состав серого чугуна

Необходимость применения длительных термических процессов и правки существенно увеличивает трудозатраты на изготовление деталей из ковкого чугуна. Кованая стальная заготовка распределительного вала двигателя значительно отличается от уже готовой детали, что подтверждает сложность и объем работ, связанных с производством.

Чугун серый ковкий высокопрочный

Надежность и долговечность изделий в современном машиностроении во многом зависят от характеристик используемых конструкционных материалов. Прежде всего, следует отметить, что более 80% деталей в машиностроении, независимо от массы и сложности, изготавливаются из сплавов на основе железа. В зависимости от процентного содержания углерода, данные сплавы можно подразделить на стали и чугуны.

В отличие от стали, в структуре чугуна под определенными обстоятельствами часть углерода может накапливаться в виде графитовых розеток. В сечении такой розетки выявляются лишь отдельные пластины, что позволяет наблюдать изолированные графитовые включения на полированном шлифе чугуна. Структура матрицы в данном случае чаще всего представлена феррито-перлитной или перлитной. Поэтому такой чугун получил название серого.

Содержимое серого чугуна, как правило, варьируется от 2,5% до 3,6% углерода, а также может включать в себя кремний и марганец. Сера и фосфор представлены в виде постоянных примесей.

Прочность чугуна значительно определяются наличием графита в виде пластинчатых включений. Эти графитовые элементы разрушают матрицу, и под действием внешних нагрузок происходит концентрация напряжения в металле, что больше всего ощущается на концах графитовых включений. В этих зонах возникают микротрещины, что делает серый чугун относительно хрупким, так как он разрушается без предварительной пластической деформации.

Чугун – литейный сплав.

Условия, при которых происходит охлаждение чугуна после заливки в литейную форму, оказывать решающее влияние на формирование его структуры. В тонких участках отливок, где скорость охлаждения в процессе кристаллизации высокая, образуется структура, известная как белый чугун. В этом виде чугуна углерод присутствует в форме цементита, а графит отсутствует. В остальных, более толстых частях, формируется структура серого чугуна. Химический состав также может влиять на структуру: увеличение содержания марганца и серы приводит к расширению области бетонирования, в то время как рост количеств графитизирующих добавок, таких как углерод и кремний, уменьшает склонность чугуна к бетонированию. Чтобы получить отливки с определёнными свойствами, необходимо учитывать и состав, и скорость охлаждения в каждом конкретном случае.

Серый чугун

Несмотря на сравнительно невысокие механические свойства, серый чугун получил широкое распространение благодаря своей легкой обрабатываемости, высокой способности демпфировать колебания и хорошим антифрикционным качествам. Это связано с тем, что графит, содержащийся в чугуне, способен удерживать смазочные материалы и сам служит смазкой, что позволяет сопряженным деталям из чугуна легко перемещаться относительно друг друга.

При добавлении небольшого количества хрома и никеля серый чугун демонстрирует улучшенные упругие свойства. К примеру, поршневое кольцо, изготовленное из такого чугуна, после снятия нагрузки восстанавливает свои первоначальные размеры.

Серый чугун также обладает высокой жидкотекучестью. При практических температурах заливки длина спиральной пробы из этого материала почти в два раза превышает таковую из стали, что позволяет получать отливки сложной формы.

Этот вид чугуна характеризуется небольшой объемной усадкой в процессе кристаллизации, что позволяет часто избегать установки и прибыли. Наиболее распространенный способ производства серого чугуна – это использование вагранки с капельником, где происходит накапливание металла и выравнивание его состава и температуры. Для снижения склонности чугуна к бетонированию применяются кремнийсодержащие модификаторы, которые помогают улучшать свойства металла по всей толщине отливки. Это может быть видно в сравнении твердости модифицированных и немодифицированных чугунов.

Глубина бетонирования на клиновой пробе модифицированного чугуна заметно меньше, чем у немодифицированного. Кроме того, модифицирование изменяет и форму графитовых включений.

Кроме вагранок, для плавки серого чугуна также используют электрические печи, которые обеспечивают более высокую температуру получения металла, что является важным при последующем, внепечном обработке чугуна. Формы для отливок из серого чугуна создаются путём уплотнения формовочной смеси в опоках, а для выполнения внутренней конфигурации отливки в полость литейной формы устанавливаются стержни.

В рамках массового производства для мелких чугунных отливок нередко используются автоматические линии безопочной формовки, включая систему установки стержней с помощью специального стержнеукладчика.

Кроме того, металл формы также заливается автоматически. Отливки из серого чугуна получают не только в песчаных, но и в металлических формах. Для получения отливок, имеющих форму тел вращения, широко используется центробежный метод литья, что тоже способствует росту производительности, экономит формовочные материалы и исключает необходимость в литниковой системе.

Серый чугун является общепризнанным конструкционным материалом, используемым для создания различных деталей, работающих в условиях статических нагрузок, вибрации или повышенного трения.

Химический состав серого чугуна

Литейные свойства серого чугуна определяются следующими характеристиками:

• незначительное сокращение объема;
• высокая текучесть расплава;
• низкая температура кристаллизации;
• отсутствие предрасположенности к образованию раковин.

В эксплуатации деталей из серого чугуна важными факторами являются их устойчивость к растрескиванию и образованию пор, а также предел прочности, который зависит от выраженности графитовых включений. Прочность имеет особое значение в условиях ударно-абразивного воздействия. Кроме того, герметичность, необходимая для высоконагруженных гидросистем и компрессоров, зависит от текучести материала, уровня микропористости и показателей давления.

Особенности литейного процесса с использованием серого чугуна

Серый чугун выделяется рядом выдающихся литейных свойств, среди которых:

• минимальное снижение объема при замерзании;
• высокая текучесть в расплавленном состоянии;
• сниженная температура начала кристаллизации;
• низкая предрасположенность к образованию раковин.

Ключевые параметры работы изделий из серого чугуна включают устойчивость к трещинообразованию, образованию пор и предел прочности. Основные факторы, влияющие на эти параметры – характеристики структуры металла, связанные с количеством и размерами графитовых включений, от которых зависят необходимые эксплуатационные характеристики. Изделия, подвергающиеся ударно-абразивным воздействиям, требуют повышенной прочности.

Изделия из серого чугуна предъявляют повышенные требования по герметичности, что напрямую связано с их способностью сохранять текучесть, предотвращать образование микропор и поддерживать нагрузку под давлением. Так, трубопроводы, гидравлика и компрессорное оборудование должны обладать высокими стандартами герметичности.

Химический состав серого чугуна по маркам (ГОСТ)

Химический состав серого чугуна, согласно ГОСТ 1412-85 «Чугун с пластинчатым графитом для отливок. Марки», регламентируется для следующих категорий:

Таблицы для чугуна:

• В таблице указаны максимальные значения содержания элементов.
• Минимальные значения содержания некоторых компонентов (например, кремния) для отдельных марок чугуна могут превышать указанные в таблице.
• Точный химический состав чугуна может колебаться в зависимости от производителя и конкретной партии.

Помимо основных элементов, в чугуне могут встречаться и другие элементы, такие как хром, никель, медь и другие. Эти компоненты добавляются для улучшения качеств сплава в соответствии с его предполагаемым применением.

Литейные свойства

Серый чугун имеет множество ценных свойств, благодаря которым он стал одним из наиболее популярных материалов для литья:

• Высокая текучесть в жидком состоянии, что позволяет эффективно заполнять тонкие и сложные формы с минимальным риском образования усадочных раковин и трещин. Это особенно важно при производстве деталей с тонкими стенками и сложной геометрией.
• Процесс затвердевания отливки сопровождается небольшой усадкой, что снижает вероятность возникновения трещин и деформаций заготовок. Это позволяет получать высокоточныеральные отливки с минимальными припусками на механическую обработку.
• Незначительная адгезия к стенкам формы, что облегчает извлечение отливок и повторное их использование. Это снижает трудозатраты и стоимость процесса литья.
• Сплав имеет хорошую обрабатываемость резанием, что позволяет доводить отливки до заданных размеров и шероховатости поверхности, что расширяет его применимость в различных отраслях.
• Материал демонстрирует хорошие демпфирующие свойства, делая его идеальным выбором для изготовления корпусов станков, двигателей и других механизмов, подверженных динамическим нагрузкам.
• Серый чугун является сравнительно недорогим материалом, что делает его экономически выгодным выбором для массового производства.

Воздействие химических элементов на свойства СЧ

• Углерод – снижает прочность, увеличивает пластичность и улучшает способность к заполнению литейной формы;
• Кремний – способствует графитизации, снижая стабильность цементита; помогает уменьшить содержание углерода в эвтектике; улучшает свойства литья и делает сплав более мягким;
• Марганец – нейтрализует негативное воздействие серы, вызывающей хрупкость сплава; препятствует процессу графитизации, повышая хрупкость, а также линейную и объемную усадку;
• Сера – снижает степень жидкотекучести, уменьшает тугоплавкость, способствует образованию дефектов в структуре при высоких температурах;
• Фосфор – повышает жидкотекучесть, облегчая создание отливок сложной геометрической формы, но также способствует образованию хрупкости.

Ключевыми особенностями серого чугуна для качественного производства отливок в литейном производстве являются:

• низкая температура кристаллизации;
• низкая температура плавления по сравнению с другими видами чугуна (1150–1255°С);
• высокий предел текучести в жидком состоянии;
• незначительная усадка.

Отливки из серого чугуна обладают прочностью и износостойкостью, а также устойчивают к формированию пор и трещин. Наиболее прочный вариант серого чугуна – перлитный, из которого изготавливаются детали для устройств, подверженных высоким статическим нагрузкам в процессе работы.

Твердость является важным механическим свойством отливок из литейного чугуна, зависящим от пропорций основных компонентов сплава. Чем выше твердость чугуна, тем выше его предел прочности на растяжение.

Среди других положительных характеристик серого чугуна можно выделить:

• высокое сопротивление износу – отливки практически не изнашиваются при работе на истирание;
• достаточная податливость при механической обработке резанием;
• высокие герметические свойства в условиях значительного давления (например, трубопроводы, компрессоры, насосы);
• стойкость к коррозии;
• высокая термостойкость;
• стабильность прочности отливок при изменении состояния их поверхности (царапины, трещины);
• стойкость к воздействию кислотно-щелочной среды;
• способность быстро рассеивать вибрационные колебания;
• экологическая чистота материала;
• стабильность под давлением сжатия.

Основные свойства и применение СЧ15, СЧ20, СЧ30

Отливки, выполненные из серого чугуна с высокой геометрической точностью методом ЛГМ (литье по газифицируемым моделям), используются в условиях высоких температур и давлений, а также в агрессивной химической среде и суровых климатических условиях.

ЛГМ (литье по газифицируемым моделям) стало широко распространенным в металлургии. Доля фасонных отливок из серого чугуна в машиностроительной отрасли составляет примерно 75%. Хорошие литейные характеристики, прочность и износостойкость СЧ обеспечивают его использование во множестве различных областей:

• машино- и станкостроение – станины токарных, револьверных станков, корпуса редукторов, насосов, блоки цилиндров, поршни, втулки, каретки, зубчатые колеса, а также детали вагонов и локомотивов;
• строительство – стойки, колонны, подмости, арки, своды, плиты под основы, люки для смотровых колодцев;
• нефтегазовая отрасль – корпусные детали для редуктора, насоса, подшипников;
• сантехника – напорные и канализационные трубы, их соединительные компоненты, ванны;
• чугунные печи, камины, печи-буржуйки для дачи и дома, а также их составные части: колосники, круглые и прямоугольные задвижки, двери.

Химический состав

Для всех марок этого сплава характерен следующий химический состав:

• C – в пределах 2,9-3,7%
• Si – в пределах 1,2-2,6%
• Mn – в пределах 0,5-1,1%
• P – до 0,2-0,3%
• S – до 0,12-0,15%

Кроме того, серый чугун может легироваться такими элементами, как хром (Cr), никель (Ni) или медь (Cu). Если же в составе материала найдены магний (Mg) или церий (Ce), то вкрапления графита приобретут глобулярную форму, что существенно повышает прочность сплава.

Серый чугун: марки чугуна, маркировка и применение

Этот сплав маркируется символами СЧ, после которых следуют цифры, обозначающие предел прочности (кг/мм²). Например, существуют сплавы СЧ20, СЧ30 и так далее. Для высокопрочных чугунов технологи используют обозначение ВЧ, а к цифрам, указывающим прочность, добавляют параметр относительного удлинения (%). К примеру, ВЧ50-2.

На сегодняшний день наибольшее распространение получили марки чугуна: СЧ10, СЧ15, СЧ18, СЧ20, СЧ21, СЧ25, СЧ30 и СЧ35.

Считается, что серый чугун наиболее дешев в производстве, и на фоне его отличных литейных качеств он получает широкую применимость в машиностроении. В частности, СЧ является незаменимым для получения отливок различных деталей, которые в процессе эксплуатации не подвергаются существенным механическим нагрузкам. Вместе с тем, для серого чугуна, имеющего перлитную металлическую структуру, характерна очень высокая прочность на сжатие, что позволяет отливать из этого материала компоненты, работающие под высоким нагрузочным напряжением.

Заметно, что СЧ участвует в производстве более 80% всех чугунных отливок. Особенно востребованным является материал с пластинчатыми графитовыми вкраплениями.