Серые чугуны

Серый чугун (технический) представляет собой, по существу, сплав Fe-Si-C, содержащий в качестве постоянных примесей Mn, Р и S. Как было отмечено выше, в его структуре большая часть или весь углерод находится в виде графита. Характерная особенность строения данных сплавов, определяющая многие свойства, заключается в том, что графит имеет в поле зрения микрошлифа форму пластинок. Наиболее широкое применение получили доэвтектические чугуны, содержащие 2,4 - 3,8 % С. Чем выше концентрация углерода, тем больше образуется графита и тем ниже механические свойства сплава. В то же время для обеспечения высоких литейных свойств (хорошей жидкотекучести) концентрация углерода должна быть не менее 2,4 % С.

Кремний, концентрация которого в серых чугунах колеблется от 0,5 до 4,5 %, оказывает большое влияние на их строение и свойства. Он растворяется в a-Fe с образованием твердого раствора замещения.

Величина температурного интервала, в котором в равновесии с жидким сплавом находятся аустенит и графит, зависит от концентрации кремния. Чем больше содержание кремния, тем шире эвтектический интервал температур.

Охлаждение чугуна в реальных условиях вносит существенные отклонения от условий равновесия. Структура сплава в отливках зависит в первую очередь от химического состава (содержания углерода и кремния) и скорости кристаллизации.

Быстрое охлаждение сплава при производстве чугуна способствует получению его модификации белого цвета, а медленное – серого. Кремний способствует процессу графитизации, действуя в том же направлении, что и замедление скорости охлаждения. Изменяя, с одной стороны, концентрация углерода и кремния в чугуне, а с другой — скорость охлаждения, можно получить различную структуру металлической основы чугуна.

При определенном содержании углерода, чем больше в чугуне кремния, тем полнее протекает его графитизация. Чем выше в сплаве концентрация углерода, тем меньше требуется кремния для получения заданной структуры.

При данном содержании углерода и кремния графитизация протекает тем полнее, чем медленнее охлаждение. В производственных условиях скорость охлаждения удобно характеризовать по толщине стенки отливки. Чем тоньше отливка, тем быстрее охлаждение и в меньшей степени протекает графитизация.

Следовательно, содержание кремния надо увеличивать в отливке небольшого сечения, охлаждающейся ускоренно, или в чугуне с меньшим количеством углерода. В толстых сечениях отливок, охлаждающихся медленнее, образование графита протекает полнее, и концентрация кремния может быть меньше.

Марганец препятствует графитизации и повышает способность сплава к отбеливанию (получению в структуре чугуна цементита) - появлению, особенно в поверхностных слоях, структуры белого или половинчатого чугуна. Концентрация его лежит в диапазоне 0,4 - 1,3 %.

Сера является вредной примесью, ухудшающей механические и литейные свойства сплава, а именно снижает жидкотекучесть и способствует отбеливанию чугуна. Поэтому ее содержание ограничивают до 0,08 - 0,12 %. Сера образует сульфиды (FeS, MnS) или их твердые растворы (Fe, Mn)S.

Фосфор - полезная добавка, так как он в отличие от серы повышает жидкотекучесть сплава. Количество его в чугунах колеблется от 0,3 до 0,8 %. При повышенной концентрации фосфора в структуре сплава образуются твердые включения фосфидной эвтектики: в серых чугунах - двойной (Fe₃Р +- аустенит), а в белых - тройной (Fe₃C + Fe₃P + аустенит). Эвтектика улучшает литейные свойства сплава: увеличивает твердость и износостойкость.

Иногда в чугуны для улучшения их свойств вводят легирующие добавки (никель, хром, алюминий, медь, титан, молибден и др.). Хром препятствует, а медь и никель способствуют графитизации сплава. Концентрация никеля, хрома и меди лежит в пределах 0,2 - 0,5 %; титана, алюминия и молибдена составляет не более 0,03 - 0,10 %, а иногда и ниже.

Таким образом, примерный состав серых чугунов следующий: 2,2 - 3,8 % С; 1,0 - 2,9 % Si;0,2 - 1,2 % Мn; 0,15 - 0,40 % Р и не более 0,12 % S.

Механические свойства чугуна обусловлены его структурой, главным образом графитной составляющей. Чугун можно рассматривать как сталь, пронизанную графитом, который играет роль надрезов, ослабляющих металлическую основу структуры. В этом случае механические свойства будут зависеть от количества, величины и характера распределений включений графита.

Чем меньше графитных включений, чем они мельче и больше степень изолированности их, тем выше прочность чугуна. Сплав с большим количеством прямолинейных крупных графитных выделений, разделяющих его металлическую основу, имеет грубозернистый излом и низкие механические свойства. Чугун с мелкими и завихренными графитными выделениями обладает более высокими свойствами. Такой их вид достигается путем модифицирования. В качестве модификаторов в данном случае применяют силикокальций, алюминий и ферросилиций. Их вводят в очень небольшом количестве, чтобы они практически не изменяли химического состава сплава. Данные добавки оказывают сильное влияние на процесс графитизации и играют роль зародышевых центров выделения графита.

Пластинки графита уменьшают сопротивление отрыву, временное сопротивление и особенно сильно пластичность чугуна. Относительное удлинение при растяжении независимо от свойств металлической основы и практически равно нулю. Графитные включения мало влияют на снижение предела прочности при сжатии и твердость, величина их определяется главным образом структурой металлической основы. При уменьшении объема чугун претерпевает значительные деформации и разрушение имеет характер среза под углом 45 °. Разрушающая нагрузка при сжатии в зависимости от качества чугуна и его структуры в 3 - 5 раз больше, чем при растяжении. Поэтому такие железоуглеродистые сплавы рекомендуется использовать преимущественно для изделий, работающих на сжатие.

Пластинки графита менее значительно, чем при растяжении снижают прочность и при изгибе, так как часть изделия испытывает сжимающие напряжения. Предел прочности при изгибе имеет промежуточное значение между таковым на растяжение и на сжатие. Твердость чугуна составляет 143 - 255 НВ.

Графит, нарушая сплошность металлической основы, делает чугун малочувствительным к всевозможным концентраторам напряжений (дефектам поверхности, надрезам, выточкам и т. д.). Вследствие этого серый чугун имеет примерно одинаковую конструктивную прочность в отливках простой формы или с ровной поверхностью и сложной формы с надрезами или с плохо обработанной поверхностью. Графит повышает износостойкость и антифрикционные свойства чугуна вследствие собственного «смазывающего» действия и повышения прочности пленки смазочного материала. Очень важно, что графит улучшает обрабатываемость резанием, делая стружку ломкой.

Металлическая основа обеспечивает наибольшую прочность и износостойкость, если она имеет перлитное строение. Присутствие в структуре феррита, не увеличивая пластичность и вязкость сплава, снижает его прочность и износостойкость. Наименьшей прочностью обладает ферритный чугун.

Серый чугун широко применяют в машиностроении. Этот сплав является достаточно дешевым и недефицитным. Из данных типов чугунов (ферритных и ферритно-перлитных) изготавливают неответственные детали, испытывающие небольшие нагрузки в работе с толщиной стенки отливки 10 - 30 мм: корпуса редукторов, подшипников, насосов, фундаментные плиты, строительные колонны, литые малонагруженные детали сельскохозяйственных машин, станков, автомобилей, тракторов, арматуры и т. д. Перлитные чугуны применяют для ответственных отливок (станин мощных станков и механизмов, поршней, цилиндров, деталей, работающих на износ в условиях больших давлений, компрессоров, арматуры, дизельных цилиндров, блоков двигателей, деталей металлургического оборудования и т. д.) с толщиной стенки до 60 - 100 мм.