Как применяют серый чугун

Серый чугун

Серый чугун — это сплав железа с углеродом, который при охлаждении металла образуется в виде хлопьевидных или пластинчатых включений. Содержание углерода в сплаве превышает 2,14%, что выше нормальной растворимости. Этим сплав и отличается от стали, в которой углерод полностью растворен и отсутствует в виде отдельных включений, структура которых определяет их как графит.

Основные характеристики

Серый чугун лежит в основе черной металлургии, поскольку получается в результате восстановления железных руд при помощи углеродного топлива (кокса). В результате, кроме химической реакции восстановления окислов железа, сплав дополнительно насыщается свободным углеродом.

Высокое содержание углерода в свободном состоянии определяет механические свойства серого чугуна. Одно из основных качеств, которые позволяют использовать серый чугун не только в качестве передельного металла, это его высокие литейные качества и малая усадка при застывании. Расплавленный металл имеет высокую текучесть, поэтому из него можно выполнять отливки сложной формы.

Плиты серого чугуна

Ограничение по использованию изделий из серого чугуна обусловлено тем, что он имеет низкую прочность на изгиб, высокую хрупкость. Вместе с тем прочность серого чугуна на сжатие очень высока.

Несмотря на высокую хрупкость, такая характеристика, как износостойкость чугуна, позволяет использовать его в изделиях, работающих в условиях трения. В данных условиях сильное влияние оказывают антифрикционные свойства сплава.

Наличие большого количества углерода снижает плотность серого чугуна по сравнению с большинством сортов стали и составляет от 6,8 до 7,3 т на м 3 .

Из-за наличия вкраплений углерода сварка серого чугуна практически невозможна. Существуют технологии сварки при наличии определенных условий. Это предварительный нагрев деталей, использование специальных высокоуглеродистых электродов, но все равно, структура металла шва сильно отличается от основного материала. Свариваемые детали должны медленно охлаждаться для устранения напряжений в зоне шва.

Химический состав и структура

В химический состав сплава, кроме железа и углерода, входит также некоторое содержание кремния. Свойства сплава зависят от условий охлаждения, поскольку время изменения температуры влияет на формирование внутренней структуры материала.

При медленном остывании образуются крупные кристаллы железа, и соединения металла с углеродом приобретают перлитную основу. Медленное остывание вызывает рост геометрических размеров не только кристаллов железа, но и включений углерода, поэтому, перлитный металл имеет высокую прочность, но повышенную хрупкость.

Микроструктура серого чугуна

В условиях быстрого охлаждения углерод не успевает сформировать крупные включения графита, поэтому сплав приобретает ферритную структуру.

Ферритный серый чугун имеет несколько меньшую хрупкость, чем перлитный.

Выбирая режим охлаждения литой заготовки, можно определенным образом влиять на итоговые свойства материала, в зависимости от предъявляемых требований.

Применение

Серый чугун широко применяется при литье изделий, для которых важна высокая прочность на сжатие. Это свойство важно, главным образом, при изготовлении литых станин инструментального парка. Применение материала ограничивается повышенной хрупкостью изделий при наличии значительных изгибающих усилий.

Изделие из серого чугуна

Ранее широко использовались хорошие литейные свойства материала при изготовлении различных изделий бытового и промышленного назначения. Разнообразная кухонная и бытовая утварь – чугунки, сковороды, утюги, изготовленная литьем при минимальной последующей обработке имела низкую себестоимость и легкость в производстве.

В настоящее время при помощи литья изготавливают также высоконагруженные элементы машин, где они не подвергаются изгибающим нагрузкам. Это поршни и цилиндры двигателей внутреннего сгорания.

Детали высокой прочности, отлитые из серого чугуна, имеют минимальную стоимость и высокий срок службы. Без преувеличения можно сказать, что литые станины и корпуса станков являются практически вечными по сравнению с остальными элементами устройства.

Источник

Серый чугун: применение, состав и маркировка

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.

Читайте также:  Как заварить толстый металл чтобы не лопнул шов

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 м 3 .

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.

Читайте также:  Для чего делают отжиг металла

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.

Источник

Все о сером чугуне

Свое название серый чугун получил за счет графитовых вкраплений, которые придают материалу характерный оттенок в месте излома. Он проявляет исключительные литейные характеристики, которые обуславливают повсеместное применение металлов в машиностроении. Отливки, выполненные из такого сплава, характеризуются устойчивостью к износу, плотностью и прочностью.

Особенности

Любые стальные сплавы гораздо дороже чугунных. Это объясняется весьма дорогой и технологически сложной спецификой производства. Именно поэтому чугун нашёл своё применение в областях, где допускается экономия на бюджетной составляющей. В зависимости от микроструктуры металла выделяют пять основных разновидностей чугуна — белый, серый, ковкий, особой прочности, а также половинчатый. Базовым критерием для классификации является форма графита в микроструктуре кристаллической решетки. Наиболее хрупким считается белый сплав, поскольку вместо частичек графита в нём содержится ледебурит.

Группа сплавов, носящих наименование «серые», включают также и несколько ковких разновидностей. Это вносит заметную путаницу в определение сути терминологии. Поэтому для упрощения принято использовать типовые стандарты. В соответствии с ними серый чугун — это металлический сплав, состоящий из железа, графита и некоторых других примесей, которые включают для придания тех или иных эксплуатационных свойств и легирования.

Таким образом, серый чугун, по своей сути, представляет собой обычный сплав железа и углерода, который в случае охлаждения металлической базы формуется в форме пластинчатообразных либо хлопьевидных включений. Присутствие углерода вызывает снижение прочности с одновременным повышением пластичности. Этот элемент оптимизирует литейные характеристики металла и способствует графитизации.

Концентрация углерода в сером чугуне варьируется в диапазоне от 2,4 до 3,8%. Если доля углерода будет меньше — он в полном объеме растворится в металле, в то время как повышенная дозировка вызовет утрату упругости и жесткости.

Дозировка кремния варьируется от 1,3 до 2,6%. Кремний считается неотъемлемым участником процесса графитизации, способствует снижению вязкости и повышению твердости металла. Однако, если концентрация кремния будет превышать 3%, это может вызвать понижение параметров пластичности. Влияние углерода и кремния на технико-физические параметры чугуна рассматривается в единой совокупности с учётом их суммарной концентрации в структуре.

Содержание серы в таком сплаве не превышает 0,13-0,16%. Она присутствует в виде сульфида железа, вызывает снижение уровня пластичности и твердости чугуна. При закреплении на кристаллах сера ухудшает механические параметры чугуна, повышает усадку и придает ему «красноломкость» — то есть свойство растрескиваться при термическом воздействии. Чтобы нивелировать вредное влияние серы, в химический состав вводят марганец — он запускает реакции, приводящие к формированию карбидов железа. В зависимости от доли серы изменяется и количество используемого марганца, как правило, его концентрация изменяется от 0,4 до 1,2%.

Содержание фосфорного компонента не выше 0,5-0,6%. Этот элемент в сером чугуне содержится в виде фосфидной эвтектики, что в целом повышает стойкость материала к износу. В то же время элемент вызывает хрупкость материала и повышение жидкотекучести. В машиностроительных отливках его концентрация не должна быть выше 0,2%. В зависимости от марки чугунного сплава в его фазовый состав может включаться и ряд других элементов.

Никель выступает в качестве легирующего структурного элемента, обеспечивает выравнивание механических характеристик в отливках, вызывает повышение твердости, стойкости к ржавчине и улучшает параметры обрабатываемости.

  • Хром — стимулирует образование карбида, придает сплаву прочность и жесткость.
  • Олово — обеспечивает равномерное перераспределение твёрдости по всему материалу.
  • Молибден и никель — отвечают за сопротивляемость окислительным процессам.
  • Медь — ведет к ускорению графитизации, улучшает параметры обрабатываемости чугуна, повышает стойкость к появлению ржавчины и упругость.
  • Сурьма — содержится в минимальных дозировках, не превышающих 0,08%. Оказывает влияние на ход кристаллизации.
  • Бор — способствует повышению прочностных параметров чугуна, вызывает образование измельченных карбидов. В малых дозировках способствует графитизации, повышает прочность на прогиб и улучшает параметры ударной вязкости. При повышении дозировки пластичность и вязкость чугуна ухудшаются.
  • Титан — при концентрации ниже 0,5% ускоряет графитизацию. Если концентрация выше, то оказывает обратное действие.
  • Магний — в дозировке до 0,01% улучшает графитизацию, в большей концентрации увеличивает отбел, считается мощным десульфуратором.
  • Молибден — способствует образованию и повышению твердости материала без снижения обрабатываемости, повышает износоустойчивость.

К главным плюсам серого чугуна относят:

  • поглощение вибрации гораздо выше, нежели у стальных отливок всех типов;
  • устойчивость к сжатию;
  • текучесть и пониженная усадка.
Читайте также:  Как выглядит сатурн с поверхности титана

К тому же серый чугун на циклических нагрузках не накапливает напряжение. Таким образом, «усталость металла» минимальна. Вместе с плюсами, имеются и свои минусы, которые существенно ограничивают область его практического применения. Главный из них состоит в хрупкости материала. Графитовые включения формируют в микроструктуре так называемые «надрезы». Технически они представляют собой уязвимости, которые делают материал менее цельным по сравнению с остальными сплавами и, соответственно, менее плотным. В связи с этим серый чугун не допускается задействовать в тех отраслях, где возникают ударные нагрузки.

К примеру, если сделать из подобного чугуна самурайский меч, то при первом же ударе он разлетится на осколки, как стеклянный.

Свойства

Серый чугун проявляет повышенные литейные характеристики, а именно:

  • малой усадкой;
  • текучестью в жидкой форме;
  • пониженной температурой кристаллизации;
  • отсутствием предрасположенностью к образованию раковин.

Для пользователей отливок из таких материалов принципиальное значение играют такие параметры, как устойчивость к растрескиванию, порообразованию и предел прочности. Эти критерии прямо зависят от структуры чугунного сплава. Чем ниже будут величина и количество графитовых включений, тем выше эти параметры. Изделия, подвергающиеся частым ударно-абразивным воздействиям, должны отличаться повышенной прочностью.

Требование герметичности актуально в трубопроводах, гидравлических приводах, а также в компрессорах и насосах, работающих под высоким давлением газов и жидкостей. При этом уровень герметичности прямо зависит от уровня текучести, присутствия транзитной микропористости и характеристик изменения давления. Серый чугун в процессе сварки предрасположен к растрескиванию. А отдельные его разновидности не поддаются свариванию вовсе. Параметры твердости по Бринеллю для серого чугуна варьируются от 143 до 262.

Как мы уже упоминали, технико-эксплуатационные особенности сплава прямо зависят от его химического состава и структуры. Исходя из этого все модификации чугуна классифицируются в зависимости от времени охлаждения по завершении затвердевания. Этот фактор оказывает существенное воздействие на качества металлической основы. Перлитная основа — если отливка после термообработки подвергается быстрому охлаждению, то большую часть перлитной основы будет составлять феррит и карбид, а также тонкие включения графита. Подобный чугун проявляет повышенную прочность, плотность и твердость.

Ферритно-перлитная — в случае замедленного охлаждения в микроструктуре сплава возрастает концентрация сплава железа с прочими металлами. Этот чугун обладает хорошей пластичностью. Ферритная — получение основы этого типа достигается в результате стремительного охлаждения. Такой чугун состоит из довольно вязкого феррита и свободного углерода, представленного тонкими графитовыми пластинками. Высокая доля графита вызывает изменение механических характеристик, снижает параметры сопротивляемости растяжению.

Вместе с тем присутствие графита улучшает устойчивость к износу, повышает обрабатываемость, гасит вибрации и понижает усадку.

Маркировка

Технические параметры серого чугуна, используемого для выпуска отливок, регламентируются действующим ГОСТ 1412-85. В соответствии с этим документом маркировка сплава с пластинчатым графитом состоит из набора символов букв и цифр — например, СЧ20 или СЧ15. На первом месте стоит СЧ, аббревиатура «серый чугун». Затем идет пара цифр, которые обозначают предел прочности на растяжение, измеряемый в кгс/мм2. К примеру, материал, имеющий обозначение СЧ35, означает, что перед вами чугунный сплав с включением пластинчатого графита, величина предела прочности на растяжение которого соответствуют 35 кгс/мм2.

В соответствии с действующей классификацией серый чугун маркируется по следующей схеме:

  • СЧ10 — сплав ферритного типа;
  • СЧ15/СЧ18/СЧ20 — ферритно-перлитный состав;
  • СЧ25 и более — перлитный.

Применение

Серый чугун получил повсеместное применение при создании изделий, для которых ключевым моментом является повышенная прочность на сжатие. Эта особенность принципиальна при выпуске литых конструкций. В то же время сфера применения такого чугуна ограничивается повышенной хрупкостью этого материала в случае существенных изгибающих усилий. В прошлом исключительные литейные характеристики материала были востребованы при создании товаров промышленного и бытового назначения. В частности, из серого чугунного сплава изготавливалась бытовая утварь — сковородки, чугунные утюги, кастрюли. Для их производства использовалась техника литья, преимуществом которой был минимум последующей обработки. Это приводило к заметному снижению себестоимости готового изделия.

В наше время литьё используют для производства высоконагруженных блоков в транспортной технике. К ним относят цилиндры и поршни двигателя внутреннего сгорания. Эти детали не подвергаются высоким изгибающим нагрузкам. Изделия из серого чугуна имеют невысокую себестоимость и повышенный эксплуатационный период. Можно смело утверждать, что литые станины в сравнении со всеми остальными блоками устройства считаются практически вечными. За счёт повышенной концентрации графитов чугун приобретает устойчивость к окислению. Этот материал не подвергается ржавчине, поэтому трубы и арматуру из серого чугуна можно задействовать при проведении инженерных коммуникаций любого значения — как локального, так и магистрального.

Неслучайно, в системах водопровода и каналах подачи природного газа повсеместно применяются чугунные фитинги, а также переходники, задвижки и отводы.

Источник

Поделиться с друзьями
Металл и камни