Серый чугун

Современное машиностроение просто невозможно представить себе без чугуна. Это не металл, а сплав железа с графитом, визуально представляющий собой как бы пористую металлическую губку. Поры этого сплава заполнены графитом - веществом неметаллического происхождения. Чугун плохо работает на разрыв и в силу этого является довольно хрупким материалом. Достаточно ударить по чугунной болванке тяжелым предметом, и она разлетится на куски.

Самостоятельным видом этого материала является чугун серый, представляющий собой сплав железа с углеродом, в котором невооруженным глазом видны включения пластинчатого, волокнистого и крабовидного характера. Серый чугун представлен целой группой марок, среди которых можно выделить высокопрочный чугун, в состав которого входит графит глобулярной формы. Данная разновидность серого чугуна создается с помощью модификации его магнием, церием и рядом других элементов.

Основа чугуна зависит от нескольких факторов и, в частности, от скорости охлаждения после окончания отвердевания, размера детали и пр. В зависимости от этого чугун принимает перлитную металлическую, ферритно-перлитную или чисто ферритную основу. Чем выше скорость охлаждения, тем большей оказывается процентное содержание перлита и тем выше прочность чугуна. Однако прочность в этом случае обратно пропорциональна пластичности. Серый чугун имеет широкую область применения, и в каждом конкретном случае выбирается именно та марка, которая оптимально соответствует поставленным задачам.

Металлическая основа серого чугуна является основополагающим фактором возникновения у него тех или иных механических характеристик. Перлитная основа так или иначе влияет на износостойкость и прочность чугуна. Во времена Советов марки серых чугунов определялись государственными стандартами, и данная маркировка действует по сей день. Согласно ГОСТ 1412-85, применяется буквенно-числовое обозначение марок серого чугуна. СЧ - постоянное для всех серых чугунов сочетание букв; цифры же указывают на наименьший предел прочности при растяжении. Цифрами до 10 маркируются ферритные чугуны; от 10 до 18 – ферритно-перлитные; свыше 25 – перлитные. Следует отметить, что 4/5 всего производства чугуна занимает именно чугун серый с пластинчатым графитом.

Свойства серого чугуна

Свойства данного материала обеспечили ему широкое применение в машиностроении. Кристаллизуется он при довольно низких температурах, дает малую усадку, в жидком состоянии сохраняет высокую текучесть. Его литейные свойства оцениваются как высокие. Серый чугун служит основным материалом для цилиндров и поршней самых разных механизмов, станин станков и пр. Склонность данного вида чугуна к растрескиванию при сварке обуславливает необходимость проявления особой осторожности при работе с заготовками. Практикуемое довольно часто отбеливание чугуна, используемое во время сварки, с одной стороны, делает его более твердым, а с другой, исключает всякую возможность его механической обработки.

Существуют и такие сорта серого чугуна, которые вообще сварке не подлежат. В частности, т. н. горелый чугун, который претерпел длительное воздействие повышенных температур, был обработан кислотами или горячим паром.

Как влияет химический состав серого чугуна на его характеристики

Графитизация чугуна напрямую связана с наличием в нем следующих основных элементов.

Углерод

Чем выше процент содержания углерода в сером чугуне, тем он менее прочен, тверд и упруг. С другой стороны, углерод способствует повышению таких его свойств, как циклическая вязкость и пластичность. Иными словами, достижение определенных показателей прочности уменьшает его литейные свойства. Оптимальный процент вхождения углерода в состав серого чугуна составляет 2,4-4,2%.

Кремний

Кремний оказывает точно такое же влияние на процесс графитизации, как и углерод. Но при этом он способен кардинальным образом изменять механические свойства серого чугуна, т. к. образует твердое соединение с ферритом и повышает его твердость, уменьшает вязкость.

Совокупный эффект кремния позволяет варьировать механические характеристики серого чугуна, и увеличение его концентрации в сплаве приводит к росту графитовых включений и объема феррита. При этом уменьшаются показатели прочности чугуна и его пластичность (из-за образования силикоферрита). Что же касается твердости – по мере увеличения процента вхождения кремния она вначале понижается, затем снова возрастает благодаря образованию силикоферрита. Как правило, способность кремния и углерода изменять механические характеристики чугуна рассматривают совместно, и с  этой целью принимают во внимание их суммарное содержание. В процессе более точных расчетов определяют т. н. углеродный эквивалент.

Сера

Эвтектика Fe-FeS обладает способностью уменьшать показатели пластичности и прочности серого чугуна за счет ослабления границ зерен, а также способствовать перлитизации его структуры. Благодаря этому растут твердость и прочность ферритного и ферритно-перлитного сплавов, которые становятся более износостойкими.

Марганец

Марганец имеет обыкновение замедлять графитизацию, легировать феррит, размельчать перлит и способствовать появлению свободных карбидов. При взаимодействии с серой этот элемент нивелирует ее вредное воздействие. Именно по этой причине процентное содержание марганца в сером чугуне бывает продиктовано содержанием серы. Малосернистые чугуны, соответственно, содержат меньший процент марганца.

Фосфор

Роль фосфора заключается в том, чтобы легировать феррит, облегчать размельчение зерна и образовывать включения фосфидной эвтектики. Чем больше фосфора содержится в сером чугуне, тем более твердым и износостойким он оказывается.

Хром

Повышение содержания хрома в чугунных отливках приводит к росту их твердости и прочности, однако наиболее явно этот процесс прослеживается у модифицированного чугуна. Способность хрома замедлять графитизацию делает его карбидообразующим элементом. Тонкие сечения при увеличении вхождения хрома демонстрируют более явное увеличение твердости, нежели толстые.

Никель

Данный элемент способен нивелировать механические характеристики чугунных отливок различной толщины. В случаях, когда процентное содержание никеля в сером чугуне превышает 3%, отливки демонстрируют одинаковые показатели прочности при толщине стенок в диапазоне 22-88 мм. С увеличением вхождения никеля на 1% показатели твердости серого чугуна растут примерно на 10 НВ. Одновременно растет способность чугуна противостоять коррозии и агрессивным щелочным средам. Важно и то, что никель способствует улучшению обрабатываемости серого чугуна и его герметичности (благодаря ему графит обретает благоприятную форму с одновременным уменьшением величины зерен).

Молибден

Данный элемент замедляет графитизацию и считается активным карбидообразующим веществом, приводит к увеличению твердости и прочности серого чугуна. Каждый дополнительный процент молибдена увеличивает прочность на 1 кГ/мм2. Характерно, что при этом ударная вязкость не снижается, а наоборот, возрастает. При высоких температурах Мо укрепляет прочность чугуна, и наиболее эффективного результата можно достичь при вхождении 1,9% Мо. Более высокая его концентрация приводит к образованию ледебурита и снижению прочности. Молибден делает чугун более износостойким.

Медь

Двойное действие меди, оказываемое ею на чугун, заключается в ускорении графитизации и образовании перлита. Чем выше процент меди в сплаве, тем меньше усадка и выше жидкотекучесть серого чугуна. С увеличением вхождения меди растут и его модуль упругости, твердость и прочность.

Медистый чугун лучше поддается обработке, нежели нелегированный. Если добавить медь к чугуну, легированному молибденом, ванадием, хромом, он станет менее твердым и не столь хрупким. Благодаря меди происходит образование тонкопластинчатого перлита, а стойкость медистого чугуна к коррозии увеличивается. На показатели прочности на растяжение и твердости существенное влияние оказывает эвтектичность.

Олово

Данный элемент способен повышать прочность, твердость и модуль упругости чугуна при содержании его в сплаве до 0,1%. Одновременно с этим растет склонность серого чугуна к отбелу, и, чтобы избежать подобной ситуации, содержание в нем олова устанавливают на уровне 0,05-0,08%. При выборе между двумя легирующими элементами - оловом и хромом - специалисты рекомендуют использовать олово, сообщающее чугуну равномерные показатели твердости по различным сечениям и уменьшение образования окалины.

Сурьма

Этот элемент, как и олово, противодействует образованию свободного феррита, но исполняет свою роль более эффективно при содержании Sb в количестве 0,015%. При этом меньшая концентрация элемента (0,03-0,08%) способствует хорошему легированию серого чугуна. Если Sb содержится в чугуне в концентрации до 0,1%, прочность его увеличивается вплоть до достижения чисто перлитной структуры. Однако дальнейшее повышение концентрации Sb приводит к снижению прочности, т. к. сурьма оказывает влияние на процессы кристаллизации металлической основы, но не распределяет графитовые включения и не влияет на форму. Что же касается ударной вязкости, при легировании Sb данный показатель снижается. Также повышение процентного содержания сурьмы уменьшает чувствительность серого чугуна к толщине стенки.

Бор

Бор при условии мизерных добавок его к чугуну оказывает на него графитизирующее воздействие, видимо увеличивает ударную вязкость и стрелу прогиба. Более высокая концентрация этого элемента приводит к снижению вязко-пластичных свойств и увеличению прочности.

Если подобрать оптимальное соотношение бора и кремния, можно добиться равномерного распределения цементитной сетки на базе перлита, причем в широком диапазоне толщин стенок и эвтектичности серого чугуна. Существует возможность добиться твердости чугуна на уровне 260 НВ, варьируя концентрацией вводимого бора. Примерно такое же действие на характеристики серого чугуна оказывают добавки бора с алюминием. Промышленное значение легирования   чугуна бором состоит в возможности сообщения ему высоких показателей износостойкости без потери обрабатываемости.

На практике обычно применяют комплексное легирование, когда в серый чугун вводится не один, а сразу несколько различных элементов.

Сварка серого чугуна

К сварке чугуна обычно прибегают в следующих случаях:

• при необходимости восстановить изношенные детали различных механизмов;
• при изготовлении узлов и деталей комбинированного типа, состоящих из чугуна и чугуна в комбинации с прочими сплавами;
• при устранении разного рода литейных дефектов.

Для сварки серого чугуна применяют различные методы: электродуговой, газовый, а также электроконтактный (при необходимости сварить детали из чугуна и меди, бронзы, латуни).

Эксплуатационные характеристики серого чугуна

Одним из важнейших его качеств является износостойкость, которая выражается скоростью потери металла и измеряется в весовых и линейных единицах.

Износостойкость

В свою очередь, износ бывает абразивный (возникающий при сухом трении) и эрозионно-кавитационный (возникающий при трении со смазкой).

В случае серого чугуна износостойкость поставлена в зависимость от таких его показателей, как структура и твердость. Высокой износостойкостью характеризуются те виды, в которых размеры графитовых включений минимальны. В то же самое время феррит в структуре серого чугуна демонстрирует свои полезные свойства лишь при невысоких скоростях и небольшом давлении (при трении качения и постоянном вращении в одну сторону). Как показывает практика, при трении скольжения и разностороннем вращении преимущества остаются за перлитной структурой серого чугуна.

Также износостойкость зависит и от твердости (с ростом этого показателя износостойкость повышается). Детали, подвергающиеся постоянному ударно-абразивному износу, должны обладать высокой твердостью. С этой целью и применяется легирование серого чугуна.

Герметичность

Данный показатель выражается скоростью утечки, снижением давления и изменениями пограничных параметров, появлением течи. Детали из чугуна, работающие в условиях давления газов или жидкостей, должны обладать высокой герметичностью: трубопроводы, арматура, элементы тормозных пневматических систем, гидроприводная аппаратура, резервуары, отливки компрессоров и насосов.

Снижению герметичности способствует наличие в структуре серого чугуна раковин и микропор. Особенно важно избежать в отливке т. н. транзитной микропористости, т. е. сообщающихся друг с другом пор.

Роль серого чугуна в станкостроении

Детали, изготовленные из серого чугуна, могут относиться к первому или второму классу отливок.

Отливки первого класса

К первому классу относят детали, требующие повышенной прочности и износостойкости: базы и корпуса станков. Прочность и жесткость всей конструкции определяется характеристиками чугуна в преобладающих по толщине деталях, которые должны обладать пределом прочности на растяжение порядка 25-30 кГ/мм, а также высоким модулем упругости - около 1,15-1,30. Учитывая, что по производственным причинам могут быть изготавливаться детали различной толщины стенок, рекомендуется использовать марки чугуна СЧ 21-40, СЧ 28-48, СЧ 32-52.

Как правило, детали первого класса принимают на себя высокие нагрузки, например зубчатые колеса или кронштейны. К стабильности их геометрической формы предъявляются весьма высокие требования. То же самое касается и деталей, которые работают в условиях сильного трения скольжения при обилии смазки и общей загрязненности. Также высокие нагрузки испытывают и детали, работающие в условиях трения качения, например станины различных станков (токарно-винторезных, горизонтально- и координатно-расточных, резьбошлифовальных, револьверных и пр.). Другими деталями, к которым предъявляются повышенные требования к стабильности геометрической формы, это поперечины, ползуны, шабровочные и поверочные плиты. Некоторые детали должны демонстрировать устойчивость геометрической формы и под давлением свыше 80 кг/см. Речь идет о корпусах насосов, цилиндрах, золотниках и прочих деталях гидро- и пневмоаппаратуры.

Отливки первого класса должны обладать твердостью и оптимальной микроструктурой. Так, направляющие на глубине 75% припуска на механическую обработку должны демонстрировать твердость как минимум 180 НВ (за исключением тяжелых отливок, вес которых превышает 7 т, или направляющих толщиной свыше 100 мм; для них требования к твердости уменьшаются на 10 единиц, до 170 НВ). В некоторых случаях, когда направляющим скольжения не грозят посторонние загрязнения, например при отсутствии контакта с направляющими других деталей, допускается аналогичное снижение твердости.

Что касается микроструктуры отливок, тут требования следующие. При весе отливок до 4 т и толщине направляющих до 60 мм микроструктура отливок должна представлять собой мелкопластинчатый высокодисперсный перлит, составляющий порядка 98% всего объема отливки. Остальной объем должен быть составлен мелкими (10-125 мкм) включениями графита, представляющими колонии или отдельные пластинки. При весе отливок 4-10 т и толщине направляющих до 100 мм процент перлита может быть снижен до 95%. Наиболее тяжелые станочные отливки - масса которых превышает 10 т или толщина направляющих у которых более метра, процент перлита в сером чугуне может составлять 90%, а размеры графитовых включений находятся в диапазоне 10-250 мкм.

Отливки второго класса

Ко второму классу обычно относят детали баз и корпусов станков, требующих повышенной прочности и износостойкости, в особенности на участках преобладающей толщины. Предел прочности на растяжение должен составлять не менее 20-25 кГ/мм3. Учитывая, что в станкостроении возникает потребность в отливках различного размера и толщины стенок, для гарантированного достижения необходимых показателей прочности специалисты рекомендуют использовать серый чугун следующих марок: СЧ 15-32, СЧ 21-40 и СЧ 28-48.

В отличие от отливок первого класса, работающих на износ, детали второго класса на износ не работают, но тем не менее к ним тоже предъявляются требования по сохранению стабильной геометрической формы. Это станины и салазки с направляющими многих станков, в частности токарно-винторезных, револьверных и пр. Легирование чугуна такими элементами, как хром, никель, молибден, позволяет достичь хороших показателей прочности и твердости.

См. также:

• Технология сварки серых чугунов и свойства соединений
• Сварка чугуна
• Горячая сварка и наплавка чугуна