Состав чугуна серого: Свойства серого чугуна, высокопрочного, белого, ковкого

alexxlab | 26.02.2023 | 0 | Разное

Серый чугун: виды, марки, свойства

• Главная >
• Блог >
• Серый чугун: виды, марки, свойства

18.09.2022

Свойства металлов

Время чтения: 10 минут

Редакция сайта VT-Metall

Сохранить статью:

Из этого материала вы узнаете:

• Что такое серый чугун
• Химический состав серого чугуна
• Химический состав серого чугуна разных марок (ГОСТ)
• Литейные характеристики серого чугуна
• Механические свойства серого чугуна
• Виды серого чугуна
• Сферы применения серого чугуна

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:

Марка	Массовая доля, %
	Основные компоненты			Примеси (в пределах)
	C	Si	Mn	P	S
СЧ10	3,5–3,7	2,2–2,6	0,5–0,8	0,3	0,15
СЧ15	3,5–3,7	2,0–2,4	0,5–0,8	0,2	0,15
СЧ20	3,3–3,5	1,4–2,4	0,7–1,0	0,2	0,15
СЧ25	3,2–3,4	1,4–2,2	0,7–1,0	0,2	0,15
СЧ30	3,0–3,2	1,3–1,9	0,7–1,0	0,2	0,12
СЧ35	2,9–3,0	1,2–1,5	0,7–1,1	0,2	0,12

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.

Еще одно свойство – герметичность – определяется текучестью, наличием транзитной микропористости и характеристиками изменения давления. Это качество является необходимой характеристикой для трубопроводов, гидравлических приводов, компрессоров и насосов, которые функционируют в условиях высокого давления газов и жидкостей.

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:

Марка	Марка чугуна в соответствии с СТ СЭВ 4560-84	Временное сопротивление при растяжении σВ, МПа, (кгс/мм2), в пределах
СЧ10	31110	100 (10)
СЧ15	31115	150 (15)
СЧ18	–	180 (18)
СЧ20	31120	200 (20)
СЧ21	–	210 (21)
СЧ24	–	240 (24)
СЧ25	31125	250 (25)
СЧ30	31130	300 (30)
СЧ35	31135	350 (35)

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

Марка чугуна	Толщина стенки отливки, мм
	4	8	15	30	50	80	150
Временное сопротивление при растяжении, МПа, от
СЧ10	140	120	100	80	75	70	65
СЧ15	220	180	150	110	105	90	80
СЧ20	270	220	200	160	140	130	120
СЧ25	310	270	250	210	180	165	150
СЧ30	–	330	300	260	220	195	180
СЧ35	–	380	350	310	260	225	205
Твердость НВ, в пределах
СЧ10	205	200	190	185	156	149	120
СЧ15	241	224	210	201	163	156	130
СЧ20	255	240	230	216	170	163	143
СЧ25	260	255	245	238	187	170	156
СЧ30	–	270	260	250	197	187	163
СЧ35	–	290	275	270	229	201	179

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.

Основным назначением марок серого чугуна с перлитной структурой является изготовление деталей, призванных справляться с серьезными нагрузками. К ним относятся гильзы, головки цилиндров, распределительные валы.

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.

Рекомендуем статьи

• Сплав железа и меди: область применения
• Углерод в металле и его влияние на свойства материала
• Легированные конструкционные стали: характеристики и применение

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.

Читайте также

30. 12.2022

Холодная сварка: виды и особенности применения

Подробнее

30.12.2022

Сталь D2: сфера применения и параметры

Подробнее

30.12.2022

Как выбрать электроды, чтобы получить качественный сварной шов

Подробнее

30.12.2022

Шкаф металлический для инвентаря: разбираемся в видах и назначении

Подробнее

30.12.2022

Что такое штрипс: виды и характеристики

Подробнее

30.12.2022

Токарные работы по металлу: виды и особенности станков

Подробнее

30.12.2022

Сварка арматуры: выбираем оптимальный способ

Подробнее

30.12.2022

Сборка металлоконструкций: этапы и методы

Подробнее

Серый чугун

О компании Бентонит Ферросплавы Коагулятор шлака Футеровка Миканитовая пленка Полистирол литейный Электроды графитированные Справочник литейщика Диаграмма Fe-C Таблица Менделеева Серый чугун Высокопрочный чугун с шаровидным графитом (ЧШГ) Высокопрочный чугун с вермикулярным графитом (ЧВГ) Чугуны литейные, передельные Марки литейных сталей Литые наконечники для винтовых свай Контакты Наши потребности	Химический состав серого чугуна (ГОСТ 1412-85) Марка чугуна Массовая доля элементов, % C Si Mn P S не более СЧ10 3,5-3,7 2,2-2,6 0,5-0,8 0,3 0,15 СЧ15 3,5-3,7 2,0-2,4 0,5-0,8 0,2 0,15 СЧ20 3,3-3,5 1,4-2,4 0,7-1,0 0,2 0,15 СЧ25 3,2-3,4 1,4-2,2 0,7-1,0 0,2 0,15 СЧ30 3,0-3,2 1,3-1,9 0,7-1,0 0,2 0,12 СЧ35 2,9-3,0 1,2-1,5 0,7-1,1 0,2 0,12 Рекомендуемый химический состав для серого чугуна в соответствии со стандартными марками по ISO Марка чугуна Массовая доля элементов, % C Si Mn P S не более 100 3,5-3,8 2,3-2,8 0,4-0,8 0,2 0,06-0,15 150 3,4-3,7 2,1-2,6 0,5-0,8 0,2 0,06-0,15 200 3,2-3,5 1,8-2,3 0,6-0,8 0,2 0,06-0,15 250 3,1-3,4 1,6-2,1 0,6-0,8 0,15 0,06-0,12 300 3,0-3,2 1,3-1,9 0,7-0,9 0,1 0,06-0,12 350 2,9-3,1 1,1-1,5 0,8-1,0 0,1 0,06-0,12  Ориентировочные данные о временном сопротивлении при растяжении и твердости в стенках отливки различного сечения (ГОСТ 1412-85) Марка чугуна Толщина стенки отливки, мм 4 8 15 30 50 80 150 Временное сопротивление при растяжении, МПа, не менее СЧ10 140 120 100 80 75 70 65 СЧ15 220 180 150 110 105 90 80 СЧ20 270 220 200 160 140 130 120 СЧ25 310 270 250 210 180 165 150 СЧ30 – 330 300 260 220 195 180 СЧ35 – 380 350 310 260 225 205 Твердость НВ, не более СЧ10 205 200 190 185 156 149 120 СЧ15 241 224 210 201 163 156 130 СЧ20 255 240 230 216 170 163 143 СЧ25 260 255 245 238 187 170 156 СЧ30 – 270 260 250 197 187 163 СЧ35 – 290 275 270 229 201 179 Физические свойства серого чугуна с пластинчатым графитом (ГОСТ 1412-85) Марка чугуна Плотность, кг/м3 Линейная усадка, % Модель упругости при растяжении, х 103 МПа Удельная теплоемкость при температуре от 20 до 200ºС, Дж/(кг*К) Коэффициент линейного расширения при температуре от 20 до 200ºС, 1/ ºС Теплопроводность при 20 ºС, Вт/(м*К) СЧ10 6,8*103 1,0 700-1100 460 8,0*10-6 60 СЧ15 7,0*103 1,1 700-1100 460 9,0*10-6 59 СЧ20 7,1*103 1,2 850-1100 480 9,5*10-6 54 СЧ25 7,2*103 1,2 900-1100 500 10,0*10-6 50 СЧ30 7,3*103 1,3 1200-1450 525 10,5*10-6 46 СЧ35 7,4*103 1,3 1300-1550 545 11,0*10-6 42

Серый чугун | Металлургия для чайников

Серый чугун – Значение и определение

Серый чугун характеризуется графитовой микроструктурой, из-за которой изломы материала имеют серый вид. Это наиболее часто используемый чугун и наиболее широко используемый литой материал в зависимости от веса. Большинство чугунов имеют химический состав от 2,5 до 4,0% углерода, от 1 до 3% кремния, а остальное — железо. Серый чугун имеет меньшую прочность на растяжение и ударопрочность, чем сталь, но его прочность на сжатие сравнима с низко- и среднеуглеродистой сталью.

Микроструктура серого чугуна (500x). Фото любезно предоставлено: Лейла Бьеррегаард, Struers A/S

Серый чугун, также известный как чугун с чешуйчатым графитом, представляет собой тип чугуна, в котором большая часть углерода присутствует в виде чешуйчатого графита. Свойства серого чугуна зависят от распределение, размеры и количество чешуек графита, структура матрицы. На качество отливки в основном влияют условия производства, химический состав, время затвердевания и скорость охлаждения в форме.

Серый чугун обладает прочностью от низкой до умеренной, низким модулем упругости, низкой чувствительностью к надрезам, высокой теплопроводностью, умеренной термической стойкостью и превосходными литейными свойствами. Он используется для корпусов, где прочность на растяжение не является критичной, таких как блоки цилиндров двигателей внутреннего сгорания, корпуса насосов, корпуса клапанов, электрические коробки и декоративные отливки. Высокая теплопроводность и удельная теплоемкость серого чугуна часто используются для изготовления чугунной посуды и роторов дисковых тормозов.

Чугун получают из передельного чугуна, и, хотя он обычно относится к серому чугуну, он также относится к большой группе сплавов железа, которые затвердевают с эвтектикой. Цвет поверхности излома можно использовать для идентификации сплава.

Белый чугун назван в честь его белой поверхности при изломе из-за примесей карбида, которые позволяют трещинам проходить прямо насквозь.

Серый чугун назван в честь его серой изломистой поверхности, которая возникает из-за того, что графитовые чешуйки отклоняют проходящую трещину и вызывают появление бесчисленных новых трещин по мере разрушения материала.

Углерод (C) и кремний (Si) являются основными легирующими элементами в количестве от 2,1 до 4 мас. % и от 1 до 3 мас.% соответственно. Сплавы железа с меньшим содержанием углерода известны как стали. Хотя технически это делает эти базовые сплавы тройными сплавами Fe-C-Si, принцип затвердевания чугуна можно понять из бинарной фазовой диаграммы железо-углерод. Поскольку составы большинства чугунов находятся примерно в точке эвтектики системы железо-углерод, температуры плавления тесно связаны между собой, обычно в диапазоне от 1150 до 1200 °C (от 2102 до 2,19°С).2 °F), что примерно на 300 °C (572 °F) ниже температуры плавления чистого железа.

Серый чугун Микроструктура

Серый чугун является одним из старейших изделий из черных металлов. Несмотря на конкуренцию со стороны более новых материалов и их активное продвижение, серый чугун по-прежнему используется в тех случаях, когда его свойства доказали, что он является наиболее подходящим доступным материалом. Наряду с кованой сталью серый чугун является наиболее широко используемым металлическим материалом в технических целях. Для 1967 производство отливок из серого чугуна составило более 14 миллионов тонн, что примерно в два с половиной раза превышает объем всех остальных видов отливок вместе взятых.

Есть несколько причин его популярности и широкого использования. Он обладает рядом желательных характеристик, которыми не обладает ни один другой металл, и, тем не менее, он является одним из самых дешевых черных металлов, доступных инженеру. Отливки из серого чугуна легко доступны почти во всех промышленных областях и могут быть произведены в литейных цехах при сравнительно скромных инвестициях. Цель этой статьи — привлечь ваше внимание к характеристикам серого чугуна, которые делают этот материал таким полезным.

Серый чугун — один из самых легко отливаемых металлов в литейном производстве. В большинстве случаев серый чугун используется в литом состоянии, что упрощает производство. Устойчивость серого чугуна к задирам и истиранию с соответствующей структурой матрицы и графита общепризнана. Отливки из серого чугуна можно производить практически любым известным литейным процессом. Весь углерод в сером чугуне, за исключением соединения с железом, образующего перлит в матрице, присутствует в виде графита в виде чешуек разного размера и формы. Наличие этих чешуек, образующихся при затвердевании, характеризует серый чугун. Наличие этих чешуек также придает серому чугуну большинство желательных свойств.

Маккензи в своей мемориальной лекции 1944 года Хоу называл чугун «сталь плюс графит». Серый чугун относится к семейству высокоуглеродистых кремниевых сплавов, в которое входят ковкие и шаровидные чугуны. Подробные обсуждения металлургии серого чугуна можно найти в доступных справочниках. Серый чугун коммерчески производится в широком диапазоне составов. Диапазон составов, которые можно найти в отливках из серого чугуна, следующий: общий углерод от 2,75 до 4,00%; кремний от 0,75 до 3,00%; марганец от 0,25 до 1,50%; сера от 0,02 до 0,20%; фосфора от 0,02 до 0,75%. Углерод, безусловно, является самым важным элементом в сером чугуне.

Можно производить все марки чугуна согласно Спецификации ASTM для отливок из серого чугуна (A 48-64), просто регулируя содержание углерода и кремния в железе. Было бы невозможно производить серый чугун без присутствия соответствующего количества кремния. Добавление кремния снижает растворимость углерода в железе, а также снижает содержание углерода в эвтектике. Эвтектика железа и углерода составляет около 4,3%. Добавление каждого 1,00% кремния снижает количество углерода в эвтектике на 0,33%. Поскольку углерод и кремний являются двумя основными элементами в сером чугуне, совокупный эффект этих элементов в виде процента углерода плюс 1/s процента кремния называется углеродным эквивалентом (CE). Серые чугуны, имеющие значение углеродного эквивалента менее 4,3%, называются доэвтектическими чугунами, а чугуны с углеродным эквивалентом более 4,3% называются заэвтектическими чугунами. Для доэвтектических чугунов в автомобильной и смежных отраслях каждое увеличение значения углеродного эквивалента на 0,10 процента снижает предел прочности при растяжении примерно на 2700 фунтов на квадратный дюйм. Железо может замерзнуть в метастабильной системе железо-карбид железа, а не в стабильной системе железо-графит, что приводит к образованию твердых или закаленных кромок на отливках.

Увеличение содержания кремния оказывает большее влияние на уменьшение острых кромок, чем увеличение содержания углерода до того же значения углеродного эквивалента. Увеличение содержания кремния снижает содержание углерода в перлите и повышает температуру превращения феррита и перлита в аустенит. Наиболее распространенный диапазон содержания марганца в сером чугуне составляет от 0,55 до 0,75 процента. Практически вся сера в сером чугуне находится в виде сульфида марганца, а необходимый для этого марганец в 1,7 раза превышает содержание серы. Содержание серы до 0,15% способствует образованию графита типа А. Большинство литейных заводов поддерживают содержание серы ниже 0,15% при 0,09%.до 0,12 процента, что является обычным диапазоном для ваграночного чугуна. Колло и Тиме сообщают, что если содержание серы уменьшить до очень низкого значения вместе с низким содержанием фосфора и кремния, в результате получится более прочный чугун, который был обозначен как «TG» или прочный графитовый чугун.

Содержание фосфора в большинстве крупнотоннажных отливок из серого чугуна составляет менее 0,15% при существующей тенденции увеличения количества стали в шихте печи; обычно содержание фосфора ниже 0,10%. Фосфор обычно встречается в виде эвтектики железо-железо-фосфид, хотя в некоторых высокоуглеродистых железах может образовываться тройная эвтектика железо-железо-фосфид-карбид железа. Содержание фосфора более 0,10% нежелательно в чугунах с низким содержанием углерода, используемых для изготовления головок и блоков двигателей и других применений, требующих герметичности. Аналогичным образом ведут себя медь и никель в чугуне. Аустенитный серый чугун можно получить, увеличив содержание никеля примерно до 15 процентов вместе с примерно 6 процентами меди или до 20 процентов без меди, как показано в Спецификации ASTM для отливок из аустенитного серого чугуна (A 436-63).

Хром часто добавляют для повышения твердости и прочности серого чугуна, и для этой цели уровень хрома повышают до 0,20-0,35%. Хром улучшает свойства серого чугуна при повышенных температурах. Молибден широко используется для улучшения свойств серого чугуна при повышенных температурах. Поскольку модуль упругости молибдена достаточно высок, добавки молибдена к серому чугуну увеличивают его модуль упругости.

Даже в таких малых количествах ванадий благотворно влияет на свойства серого чугуна при повышенных температурах. Увеличение содержания титана в сером чугуне примерно с 0,05 до 0,14 процента за счет использования титансодержащего чугуна повысило прочность чугуна. заэвтектического железа в испытательном стержне A 48 ASTM Specification A 48 (диаметром 7/8 дюйма) от 22 000 до 34 000 фунтов на квадратный дюйм. Серые утюги обычно содержат от 20 до 92 части на миллион (от 0,002 до 0,008 процента) азота.

Вам также может понравиться

Типы чугуна Чугун – определение Чугуны обычно…

Чугун Что такое чугун? Чугун производный. ..

Микроструктура металлов Микроструктура металлов Микроструктура…

Высокопрочный чугун с аустенитным отпуском (ADI) Что такое аустенитный ковкий чугун? Закаленная…

Серый железо – ISPATGURU

Grey Iron

• Satyendra
• мая 8, 2014
• 0 Комментарии
• лисовые

  Серый чугун (также называемый серым чугуном) представляет собой разновидность чугуна с графитовой микроструктурой. Он назван в честь серого цвета излома, который он образует из-за присутствия графита. Это самый распространенный чугун и наиболее широко используемый литейный материал.

  Серый чугун является одним из старейших литых изделий из черных металлов. Несмотря на конкуренцию со стороны более новых материалов и их активное продвижение, серый чугун по-прежнему используется в тех случаях, когда его свойства доказали, что он является наиболее подходящим доступным материалом.

  Маккензи в своей мемориальной лекции 1944 года Хоу называл серый чугун «сталь плюс графит». Хотя это простое определение по-прежнему применимо, на свойства серого чугуна влияет количество присутствующего графита, а также форма, размер и распределение графитовых чешуек.

  Состав и влияние состава на свойства

    Серый чугун промышленно производится в широком диапазоне составов. Диапазон составов, которые можно найти в отливках из серого чугуна, приведен ниже.

  • Углерод (C) – от 2,75 % до 4,00 %
  • Кремний (Si) – от 0,75 % до 3,00 %
  • Марганец (Mn) – от 0,25 % до 1,50 %
  • Сера (S) – от 0,25 % до 1,50 %
  • Фосфор (P) – от 0,02 % до 0,75 %

  Один или несколько легирующих элементов, а именно молибден, медь, никель, ванадий, титан, олово, сурьма и хром, могут присутствовать в различных количествах. Азот обычно присутствует в диапазоне от 20 до 92 частей на миллион. Si важен для серого чугуна, так как он является элементом, стабилизирующим графит, в чугуне, что означает, что он помогает чугуну производить графит вместо карбидов железа. Еще одним фактором, влияющим на графитацию, является скорость затвердевания. Чем медленнее скорость, тем больше склонность к образованию графита.

  Графит принимает форму трехмерной чешуйки. В двух измерениях, если смотреть на полированную поверхность под микроскопом, чешуйки графита выглядят как тонкие линии. Графиты не обладают заметной прочностью, поэтому их можно рассматривать как пустоты. Кончики отщепов действуют как ранее существовавшие зазубрины, делающие серый чугун хрупким. Микроскопически все серые чугуны содержат чешуйчатый графит, диспергированный в матрице кремнеземистого железа.

  Основная прочность и твердость железа обеспечиваются металлической матрицей, в которой встречается графит. Свойства металлической матрицы могут варьироваться от свойств мягкой низкоуглеродистой стали до свойств закаленной высокоуглеродистой стали. Матрица может быть полностью ферритовой для максимальной обрабатываемости, но такое железо имеет пониженную износостойкость и прочность. Полностью перлитная матрица характерна для высокопрочных серых чугунов, и многие отливки производятся с матричной микроструктурой как феррита, так и перлита для получения промежуточной твердости и прочности. Легирующие добавки и/или термическая обработка могут использоваться для производства серого чугуна с очень мелким перлитом или с игольчатой ​​матричной структурой. Типичная микроструктура серого чугуна показана на рис. 1.

  Рис. 1 Типичная микроструктура серого чугуна

  Графит имеет небольшую прочность или твердость. Это снижает эти свойства металлической матрицы; однако присутствие графита придает чугуну несколько ценных характеристик. К ним относятся следующие.

  • Возможность экономичного производства прочных отливок сложной формы, таких как блоки двигателя с водяным охлаждением.
  • Хорошая обрабатываемость даже при износостойких уровнях твердости и без заусенцев.
  • Стабильность размеров при дифференциальном нагреве, например, в тормозных барабанах и дисках.
  • Высокое гашение вибраций, как в корпусах трансмиссии.
  • Пограничное удержание смазки, как в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания.

  Свойства серого чугуна в первую очередь зависят от его состава. Более низкие марки серого чугуна можно стабильно производить, просто выбрав соответствующую плавильную массу. Отливки из чугуна более высоких классов прочности требуют тщательного контроля их обработки, а также их состава. Большая часть углерода в сером чугуне присутствует в виде графита, который имеет небольшую прочность или твердость.

  Увеличение количества графита приводит к увеличению общего содержания углерода в сером чугуне. Это снижает прочность и твердость железа, но увеличивает другие желательные характеристики, перечисленные выше. Заметное содержание кремния также необходимо в сером чугуне, потому что этот элемент вызывает осаждение графита в чугуне. Кремний также способствует отличительным свойствам серого чугуна. Он сохраняет умеренный уровень твердости даже в полностью отожженном состоянии и, таким образом, обеспечивает отличную обрабатываемость. Кремний также придает серому чугуну устойчивость к коррозии и окислению при повышенных температурах. Влияние углерода, кремния и фосфора на свойства серого чугуна при растяжении объединено в число, называемое углеродным эквивалентом (CE), которое определяется следующими уравнениями.

  CE = % C + 0,33 (% Si) + 0,33 (% P) – 0,027 (% Mn) + 0,4 (% S)

  CE = % C + 0,33 (% Si)

  CE = % C + 0,33 (% Si + % P)

  CE используется для определения того, является ли сплав доэвтектическим, эвтектическим или заэвтектическим. Уравнения CE показывают относительное количество эвтектики, которая образуется при затвердевании железа с 4,3 % C в виде 100 % эвтектического состава. Эти уравнения также фактически показывают, что содержание кремния и фосфора в сером чугуне в весовых процентах также влияет на его свойства при растяжении таким же образом, как и общее содержание углерода, но только на одну треть меньше. Чугуны с углеродным эквивалентом более 4,3 являются заэвтектическими и обычно содержат крупный графит. Они имеют меньшую прочность, но отлично подходят для применения в условиях теплового удара и для гашения вибрации. Серые чугуны с углеродным эквивалентом менее 4,3 являются доэвтектическими и имеют более высокую прочность, поскольку количество и размер чешуек графита уменьшаются со значением CE. Кроме того, при увеличении CE уменьшается усадка.

  Эффект более высокого углеродного эквивалента заключается в снижении прочности из-за образования большего количества более крупного графита и, как правило, большего количества феррита. Марганец, сера и фосфор присутствуют в простом сером чугуне и в некоторой степени влияют на предел прочности при растяжении. Сера является очень важным элементом, поскольку она оказывает заметное влияние на поведение железа при затвердевании. По этой причине содержание серы в железе обычно регулируют в определенных пределах и с выбранным соотношением к содержанию марганца, поскольку сера химически соединяется с марганцем с образованием сульфида марганца. Минимальное содержание марганца в железе обычно в 1,7 раза превышает содержание серы плюс 0,12 % марганца. Это обеспечивает достаточное количество марганца, так что вся сера соединяется с марганцем, а не с железом. Марганец сверх этого количества является мягким стабилизатором карбида, очищающим перлит и повышающим твердость и прочность на растяжение. Избыток марганца или фосфора может вызвать диспергированную внутреннюю пористость в более тяжелых секциях, таких как бобышки. По этой причине содержание фосфора поддерживается на минимально возможном уровне, за исключением утюгов специального назначения. Увеличение содержания фосфора обеспечивает несколько более высокую прочность на растяжение, но содержание более 0,20 % снижает обрабатываемость, особенно при сверлении.

  Химический состав серого чугуна обычно не указывается, поскольку он не обеспечивает получение определенных механических свойств. Однако для специальных применений некоторые аспекты химического состава могут быть указаны, чтобы гарантировать пригодность железа для конкретных нужд. Например, диапазон содержания сплава может быть указан для обеспечения адекватной реакции на термическую обработку или для обеспечения прочности или стойкости к окислению при эксплуатации в условиях докрасна. Минимальное содержание углерода может быть указано для обеспечения адекватной термостойкости.

  Серые чугуны могут быть легированы для повышения их прочности и твердости при литье или для повышения их реакции на закалку при термообработке. Серый чугун может быть отожжен до низкой твердости для повышения обрабатываемости. Конечно, это также снижает его прочность.

  На предел прочности при растяжении серого чугуна влияют как обычные элементы, присутствующие в обычном чугуне, такие как углерод, кремний, фосфор, сера и марганец, так и наличие легирующих добавок и микроэлементов.

  Влияние толщины на свойства серого чугуна

  Очень важное влияние на свойства серого чугуна оказывает фактическая толщина сечения, в котором он отлит. Чем толще металл в отливке и чем компактнее отливка, тем медленнее жидкий металл затвердевает и охлаждается в форме. Как и в случае со всеми металлами, более медленное затвердевание приводит к образованию зерна большего размера во время затвердевания. В сером чугуне более медленное затвердевание приводит к увеличению размера чешуек графита. Охлаждение отливки от красного каления и есть термическая обработка. Более медленное охлаждение отливки снижает твердость металлической матрицы.

  С другой стороны, железо, отлитое в слишком тонкую секцию, очень быстро затвердевает и может стать твердым. Отливка с отдельными участками, которые заметно различаются по толщине, может иметь различия в размере графита и твердости матрицы между толстыми и тонкими участками, даже если вся отливка была залита одним и тем же чугуном. Эти различия в структуре приводят к различиям в механических свойствах.

  Свойства серого чугуна

  Серый чугун обычно классифицируют по его минимальной прочности на растяжение. Серый чугун класса 220 указывает на то, что его номинальная прочность на растяжение составляет 220 ньютонов на квадратный миллиметр. Обозначение класса может использоваться для обозначения класса железа, даже если предел прочности при растяжении не является важным фактором и не может быть указан или испытан. Однако, когда обозначение класса используется в сочетании со стандартной спецификацией, которая требует минимальной прочности на растяжение, проводятся фактические испытания на растяжение, чтобы определить, соответствует ли металл этому требованию.

  Серые чугуны определенного размера или типа отливки также могут быть удовлетворительно определены по их твердости по Бринеллю. Преимущество этого обозначения заключается в использовании неразрушающего контроля, который можно применять при обычном контроле. Эти методы обозначения подходят для большинства применений, поскольку общие технические свойства серого чугуна могут быть связаны с его прочностью и твердостью.

  Твердость является наиболее часто определяемым свойством металла, поскольку это простой тест, и многие полезные свойства металла напрямую связаны с его твердостью. В пределах класса или типа серого чугуна твердость является хорошим индикатором его технических свойств, но эта зависимость бесполезна между типами серого чугуна, поскольку различия в структуре графита больше влияют на свойства при растяжении, чем на твердость. Прочность на сжатие очень хорошо коррелирует с твердостью для всех типов железа, потому что твердость, по сути, является испытанием на сжатие. Твердость обычно является хорошим показателем стойкости инструмента при механической обработке, однако присутствие свободных карбидов в микроструктуре снижает обрабатываемость в большей степени, чем увеличивает твердость.

  Металлы, которые подвергаются повторяющимся или переменным нагрузкам, таким как чередование растяжения и сжатия, могут разрушиться после большого количества циклов нагружения, даже если максимальное напряжение было значительно ниже статической прочности металла. Этот тип разрушения называется усталостным разрушением, хотя скорость приложения нагрузки или продолжительность циклов не имеют значения. Возникновение усталостной трещины напрямую зависит от максимального единичного напряжения и кумулятивного количества применений.

  Усталостная трещина начинается в области высокой концентрации напряжений после большого количества циклов нагружения. Это всегда хрупкий тип разрушения, даже если он происходит в пластичных металлах. По мере развития трещины увеличивается концентрация напряжений, увеличивается скорость распространения при циклическом нагружении. Когда поперечное сечение оставшегося металла становится недостаточным, чтобы выдержать максимальную нагрузку, происходит полное разрушение, как при чрезмерном постоянном напряжении.

  Количество приложений напряжения, которое вызовет усталостное разрушение, меньше при более высоких значениях максимального напряжения, и, наоборот, большее количество циклов напряжения может произойти при более низком уровне максимального напряжения, прежде чем появится усталостная трещина. Когда количество циклов без разрушения превышает 10 миллионов, ресурс выносливости считается бесконечным для объемно-центрированных кубических (ОЦК) черных металлов. Максимальное напряжение, которое допускает это количество циклов, устанавливается как предел выносливости, или усталостная прочность, или предел усталости.

  Относительная способность материала поглощать вибрацию оценивается как его демпфирующая способность. Подавление вибрации за счет преобразования механической энергии в тепло может быть очень важным в конструкциях и устройствах с движущимися частями. Компоненты, изготовленные из материалов с высокой демпфирующей способностью, могут уменьшить шум, такой как дребезжание, звон и визг, а также свести к минимуму уровень приложенных напряжений. Вибрация может иметь решающее значение для машин и может привести к неудовлетворительной работе или даже отказу.

  Накопление энергии вибрации без адекватного рассеяния может привести к увеличению амплитуды вибрации. Чрезмерная вибрация может привести к неточности работы точного оборудования и чрезмерному износу зубьев шестерни и подшипников. Сопрягаемые поверхности, обычно считающиеся находящимися в устойчивом контакте, могут быть вызваны вибрацией.

  Исключительно высокая демпфирующая способность серого чугуна является одним из самых ценных качеств этого материала. По этой причине он идеально подходит для оснований и опор машин, блоков цилиндров двигателей и компонентов тормозной системы. Демпфирующая способность серого чугуна значительно выше, чем у стали или других видов железа. Такое поведение объясняется чешуйчатой ​​графитовой структурой серого чугуна, а также его уникальными характеристиками напряжения-деформации.

  Демпфирующая способность уменьшается с увеличением прочности, поскольку большее количество графита, присутствующего в чугуне с более низкой прочностью, увеличивает поглощаемую энергию. Большая толщина отливки увеличивает демпфирующую способность, а модифицирование обычно снижает ее. Термическая обработка также может оказывать заметное влияние на демпфирующие свойства.

  Прочность материала на разрушение является мерой работы, необходимой для его разрушения. Эта необходимая работа связана с устойчивостью материала к зарождению и росту трещин. Работа или энергия, рассеиваемая при разрушении материала, связана с упругой и пластической деформацией материала и/или образованием трещин (микротрещин), предшествующим окончательному разрушению. Вязкость разрушения обычно изменяется в зависимости от температуры, состояния напряжения и скорости деформации, все из которых влияют на величину деформации, которая предшествует разрушению.

  Термическая обработка                   

  Хотя большинство отливок из серого чугуна используется в литом состоянии, серый чугун подвергается термообработке по целому ряду причин, таких как снятие остаточных напряжений, улучшение обрабатываемости, повышение твердости поверхности либо с помощью индукционной закалки, либо закалки пламенем, либо закалки всей секции с помощью закалки в масле и обработки вытягиванием. Структура графита не может быть изменена термической обработкой, хотя графит может увеличиться в объеме, если перлитное железо полностью превращается в феррит, и в этом случае графит обычно осаждается на первоначально присутствующих чешуйках. Однако матрица очень чувствительна к термической обработке, как и в случае со сталью.

  Термическая обработка для снятия напряжений обычно проводится в диапазоне температур от 540°С до 590°С. Ниже 510°С снятие напряжений происходит довольно медленно, а при температурах выше 540°С может наблюдаться некоторая потеря прочности в некоторые более мягкие серые утюги. Термическая обработка для снятия напряжений может применяться для улучшения стабильности размеров обработанных отливок и требуется для деталей, работающих под давлением, работающих при температурах выше 230°C и до 340°C, изготовленных из отливок из серого чугуна для деталей, работающих под давлением. Скорости нагрева и охлаждения для такой термообработки обычно ограничиваются 200 град С/ч на 25 мм толщины. Это особенно важно при нагреве, так как остаточные напряжения в отливке могут возрасти в результате теплового расширения различных частей отливки.

  Отжиг для улучшения обрабатываемости проводится в двух температурных диапазонах. Если основной целью является просто снижение твердости до некоторого более низкого уровня и отсутствие карбидов, обычно используются температуры от 680°C до 790°C в зависимости от желаемого снижения твердости. Если отливки содержат цементит или карбиды, необходимо нагреть их до температуры от 900 до 940°С, чтобы разрушить такие карбиды.

  Серый чугун можно успешно закалить как пламенным, так и индукционным нагревом. Матрица железа должна быть перлитной. Также желательно поддерживать кремний на минимально возможном уровне, обычно ниже 1,75%. По мере увеличения содержания кремния в сером чугуне не только увеличивается содержание Ас ₃ температура повышена, но встречается двухфазное поле феррита и аустенита. Удовлетворительная твердость не будет получена при нагреве железа в этом диапазоне температур. Более высокие температуры аустенизации, необходимые для чугуна с более высоким содержанием кремния, также увеличивают вероятность растрескивания во время цикла закалки.

  Обрабатываемость серого чугуна

    Наличие графитовых чешуек делает серый чугун легко обрабатываемым, поскольку они легко растрескиваются поперек графитовых чешуек. Из широко используемых в строительстве черных металлов серый чугун при заданном уровне твердости является одним из наиболее легко поддающихся механической обработке. Серый чугун подходит для свободной резки, поскольку стружка имеет небольшой размер и легко удаляется из зоны резания. Кроме того, сколы, портящие готовую поверхность, не вызывают особых затруднений. Свободное резание является результатом беспорядочно распределенных чешуек графита, которые нарушают целостность матрицы. Хотя серый чугун очень успешно обрабатывается без охлаждающих жидкостей, они могут оказаться необходимыми, если желательны высокие скорости обработки и жесткие допуски. СОЖ не только помогает удалять стружку, но и регулирует температуру отливки, что необходимо для работы с жесткими допусками.

  Несмотря на хорошую обрабатываемость серого чугуна, встречаются различные проблемы обработки, такие как твердые края, снижение срока службы инструмента, невозможность получить удовлетворительно гладкую поверхность и трудности с соблюдением требуемых допусков на размеры. Некоторые из этих проблем являются результатом выбора неподходящей марки чугуна, недостатков конструкции отливки или неправильных процедур механической обработки.

  Применение серого чугуна

  Серый чугун также обладает очень хорошей демпфирующей способностью и, следовательно, в основном используется в качестве основы для крепления станков. Для таких деталей, как гильзы цилиндров, закалка путем аустенизации и закалки в масле с последующей вытяжкой для получения желаемой твердости значительно улучшает характеристики гильзы. Есть много применений, для которых этот тип термической обработки более подходит, чем пламенная или индукционная закалка.

  Превосходные характеристики серого чугуна при использовании с поверхностями скольжения хорошо известны. Серый чугун также известен своей устойчивостью к истиранию и заеданию. Редко удается добиться идеальной посадки, и, как правило, выступы на сопрягаемых металлических поверхностях могут привести к высокому единичному давлению, вызывающему заедание.

  Серый чугун является распространенным конструкционным материалом из-за его относительно низкой стоимости и хорошей обрабатываемости, что является результатом того, что графит смазывает срез и дробит стружку.