6.2. Серые чугуны
В серых чугунах углерод полностью или большей частью находится в химически свободном состоянии, то есть в виде графита. Графит в сером чугуне имеет форму пластинок либо розеток (рис.6.1, а).
Серые чугуны кристаллизуются по диаграмме состояний железо–графит. Чугун с одним и тем же количеством углерода может быть белым и серым. Если кристаллизация чугуна прошла с образованием графита, то получается серый чугун, а если с образованием цементита, то белый. Получению серого чугуна способствуют следующие основные факторы: 1) медленное охлаждение из жидкого состояния, особенно в области температур эвтектических превращений; 2) наличия кремния (Si). В серых чугунах содержится до 4 % Si; 3) наличие мелкодисперсных частиц, таких как SiO2, Al2O3, графит, которые присутствуют чугуне. Эти частицы способствуют образованию зародышей графита. Поэтому в жидкий чугун очень часто вводят некоторое количество твёрдых частиц определённых веществ. Этот процесс называют модифицированием, а чугун – модифицированным.
Рис. 6.1. Схемы структур чугунов с различной формой графита: а – серый чугун;
б – высокопрочный чугун; в – ковкий чугун
Постоянными примесями чугуна являются Mn, P и S (марганец, фосфор, сера).
По структуре металлической основы серые чугуны делят на три вида:
серый перлитный со структурой перлит+графит. В этом чугуне 0,8 % углерода находится в виде Fe3C, который входит в состав перлита.
серый феррито-перлитный со структурой феррит+перлит+графит. Количество связанного в виде Fe3C углерода составляет менее 0,8 %.
серый ферритный со структурой феррит+графит. В этом чугуне весь углерод находится виде графита.
Механические свойства серого чугуна зависят от свойств металлической основы и, главным образом, от формы и размеров графитовых включений. Чугун можно рассматривать как сталь, пронизанную пластинами графита. Эти пластинки играют роль надрезов и ослабляют металлическую основу. Поэтому серый чугун плохо сопротивляется растяжению и имеет невысокую прочность и пластичность.
Чем мельче графитовые включения и меньше их количество, тем выше прочность чугуна. Чем крупнее и прямолинейнее форма графитовых включений, тем ниже сопротивление серого чугуна разрыву. Значительно меньше влияние графита при изгибе и особенно при сжатии. Поэтому серый чугун лучше использовать для деталей, работающих на сжатие.
Серый чугун маркируется буквами С – серый и Ч – чугун. После буквы следуют цифры, указывающие минимальное значение временного сопротивления, кгс/мм2: СЧ 18 (временное сопротивление 18 кгс/мм2 или 180 МПа).
Ферритные чугуны СЧ 10, СЧ 15, СЧ 18 используют для слабо- и средненагруженных деталей: корпуса редукторов, подшипников, насосов, крышки, маховики и т.п.
Феррито-перлитные серые чугуны СЧ 20, СЧ 21, СЧ 25 предназначены для деталей, работающих при повышенных статических и динамических нагрузках: станины различных станков, зубчатые колеса, картеры двигателя, поршни и пр.
Перлитные серые модифицированные чугуны СЧ 30, СЧ 35, СЧ 40, СЧ 45 имеют более высокие механические свойства. Это связано с тем, что графитовые включения мелкие и они разобщены. Модифицированные чугуны используют для деталей, работающих при высоких нагрузках или тяжелых условиях износа: гильзы блоков цилиндров, распределительные валы, корпуса насосов и компрессоров.
Для деталей, которые работают при повышенных температурах, используют легированные серые чугуны. В жаростойкие чугуны добавляют Cr, Al, а в жаропрочные Cr, Ni, Mo.