Серый чугун

Серый чугун − это сплав сложного химического состава: 3,2-3,8 % С, 1-5 % Si, 0,5-0,9 % Мп, 0,2-0,4 % Р, до 0,12 % S. В сером чугуне углерод находится и в свободном состоянии в виде графита и, частично, в химически связанном состоянии в виде цементита перлитной фазы. Название серого чугуна определяется наличием в изломе либо светлых кристаллов цементита, или темных кристаллов графита.

Факторами, способствующими графитизации (выделению углерода в свободном состоянии), являются низкая скорость охлаждения и наличие в химическом составе чугуна графитизирующих элементов Si, Ni, Cu (препятствуют графитизации Mn, S, Cr, W).

Практически, изменяя в чугуне содержание кремния при постоянном количестве марганца, получают различную степень графитизации.

а)

б)

в)

Рис. 6.1. Микроструктура и схематическое изображение белого чугуна:

а– доэвтектический;б– эвтектический;в− заэвтектический

Графит имеет практически нулевую прочность и пластичность. Он обеспечивает пониженную твердость, хорошую обрабатываемость резанием, повышенную износоустойчивость, высокие антифрикционные свойства вследствие низкого коэффициента трения, а также способствует гашению вибрации и резонансных колебаний. Кроме того, графит способствует при охлаждении отливки некоторому увеличению ее объема, чем обеспечивается хорошее заполнение формы.

Структура серого чугуна при получении отливок формируется в процессе медленного охлаждения, поэтому цементит, будучи при высоких температурах неустойчивым химическим соединением, распадается с образованием графита:

− Fe₃C → Fe_γ(C) + C (графит) при температуре выше линии PSK;

− Fe₃C → Fe_α(C) + C (графит) при температурах ниже линии РSК.

Чем больше скорость охлаждения, тем в меньшей степени успевает произойти процесс графитизации.

По характеру металлической основы серые чугуны различаются на:

− ферритный;

− перлито-ферритный;

− перлитный.

Ферритный чугун (рис. 6.2, а) имеет в структуре феррит (Ф) и графит (Г). Светлое поле микрошлифа − феррит, темные крупные прожилки (пластинки) − графит.

Феррито-перлитный чугун (рис. 6.2, б) имеет в структуре перлит (П), феррит (Ф) и графит (Г). Серый фон в поле микрошлифа − перлит, светлый − феррит и темные крупные прожилки − графит.

Перлитный чугун (рис. 6.2, в) состоит из перлита (П) и графита (Г). Основное серое поле микрошлифа − пластинчатый перлит, темные и крупные прожилки − пластинчатый графит.

Таким образом, структура серого чугуна представляет собой стальную основу, пронизанную графитовыми включениями.

Рис. 6.2. Микроструктура и графическое изображение серого чугуна с крупнопластинчатым графитом на ферритной (а), феррито-перлитной (б) и перлитной (в) основах

Ферритные и феррито-перлитные серые чугуны СЧ10, СЧ15, СЧ18 используют для слабо- и средненагруженных деталей: крышки, фланцы, маховики, корпуса редукторов и др.

Перлитные серые чугуны СЧ21, СЧ25 применяют для деталей, работающих при повышенных статических и динамических нагрузках: блоки цилиндров, картеры двигателей, поршни цилиндров, станины станков и пр.

Согласно ГОСТ 1412-85 установлены марки отливок из серого чугуна. Серый чугун маркируется буквами СЧ и двузначным числом, показывающим минимальное значение предела прочности на растяжение.

Например, у чугуна марки СЧ25 временное сопротивление при растяжении σ_b = 250 МПа; твердость НВ180-250 и структура металлической основы – Ф + П.

В структуре серых чугунов имеется фосфидная эвтектика, сернистые включения, шлаки, песчинки, поры и др. Фосфор в количестве 0,3 % растворяется в феррите. При большей концентрации он образует с железом и углеродом тройную "фосфидную" эвтектику c низкой температурой плавления (950 °С), что увеличивает жидкотекучесть чугуна, но приводит к высокой твердости и хрупкости после кристаллизации. Повышенное содержание фосфора допускается в отливках с высокой износостойкостью.

Модифицированный серый чугун. Отличается от серых чугунов размером, формой, распределением в структуре графитовых включений (перлитная основа с небольшим количеством изолированных пластинок графита).

Получают его из серого чугуна с пониженным содержанием углерода, добавляя в расплав модификаторы: ферросилиций, алюминий, силикокальций, магний и др. Они способствуют получению мелких изолированных и равномерно распределенных включений графита. Кроме того, приводят к устранению отбела чугуна и получению перлитной однородной металлической основы.

Перлитные модифицированные серые чугуны СЧ30, СЧ35, СЧ40, СЧ45 обладают повышенной прочностью и износостойкостью, хорошо обрабатываются резанием, их свойства меньше зависят от толщины стенок отливки, они имеют высокую теплостойкостью.

Их применяют при высоких нагрузках (зубчатые колеса, гильзы двигателей, шпиндели, распределительные валы и пр.) или для деталей топок и паровых котлов.