Чугун – магнитный, красный или бурый железоуглеродистый сплав, производимый с использованием топливных материалов и дополнительных неорганических добавок, называемых флюсами.
Чугун серый ковкий высокопрочный
В современной машиностроительной отрасли надежность и долговечность производимых изделий во многом зависят от характеристик конструкционных материалов. Более 80% деталей разнообразной массы и сложности изготавливаются из железных сплавов. Эти сплавы делятся на стали и чугуны в зависимости от содержания углерода.
В отличие от стали, в чугуне при определенных условиях часть углерода выделяется в виде графита, образующего так называемые розетки. При визуальном изучении сечения розеток можно заметить только отдельные пластины графита. Из-за этого на полированном срезе чугуна наблюдаются изолированные графитовые включения. Матрица чугуна, как правило, обладает либо феррито-перлитной, либо перлитной структурой, что и определяет его название — серый чугун.
Содержание углерода в сером чугуне обычно варьируется от 2,5% до 3,6%. Он также включает в себя определенные количества кремния и марганца, а также неизбежные примеси серы и фосфора.
Прочность чугуна обусловлена наличием графитовых включений в форме пластин. Эти включения значительно ослабляют его матричную структуру, создавая в металле области с высокой концентрацией напряжений, особенно у концов графитовых включений. Под воздействием нагрузки в этих зонах образуются микротрещины. Серый чугун, как правило, характеризуется относительно невысокой прочностью и под нагрузкой разрушаться без предварительной пластической деформации.
Чугун – литейный сплав.
Важно отметить, что условия охлаждения чугуна после заливки в форму значительно влияют на формирование его структуры. В тонких частях отливки, где скорость охлаждения в период кристаллизации высокая, формируется структура белого чугуна, в которой углерод представлен в виде цементита, а графит отсутствует. В более объемных участках формируется структура серого чугуна. Химический состав также влияет на формирование структуры: увеличение содержания марганца и серы ведет к расширению зоны отбела, тогда как увеличение содержания графитизирующих компонентов (таких как углерод и кремний) снижает склонность чугуна к отбелу. Поэтому для получения отливок с заданными свойствами необходимо учитывать как химический состав, так и скорость охлаждения чугуна в литейной форме.
Серый чугун
Несмотря на свои относительные ограничения в механических свойствах, серый чугун нашел широкое применение благодаря легкости обработки, высокой демпфирующей способности и антифрикционным характеристикам. Графит в чугуне удерживает смазку и сам выступает в качестве смазочного материала, поэтому сопряженные детали из чугуна легко скользят друг относительно друга.
Серый чугун с небольшими добавками хрома и никеля демонстрирует хорошие упругие свойства; например, поршневое кольцо из такого чугуна, после снятия нагрузки, возвращается к своим первоначальным размерам.
Серый чугун обладает высокой жидкотекучестью. При температуре заливки длина спиральной пробы из чугуна почти вдвое превышает длину пробы из стали, что позволяет создавать отливки сложной формы.
Серый чугун отличается низкой объемной усадкой при кристаллизации, что позволяет во многих случаях обойтись без установки и прибыль в процессе производства. Наиболее распространенным агрегатом для выплавки серого чугуна является вагранка с капельником, где происходит накопление металла и усреднение его состава и температуры. Для уменьшения склонности чугуна к отбелу производится модификация путем введения кремнийсодержащих добавок в жидкий металл. Это модифицирование позволяет выравнивать свойства металла в различных сечениях отливки, что иллюстрируется измерением твердости модифицированного и немодифицированного чугуна.
Глубина отбела на клиновой пробе модифицированного чугуна значительно меньше по сравнению с немодифицированным, а форма графитовых включений также изменяется в результате модифицирования.
В дополнение к вагранкам, для выплавки серого чугуна часто используются электрические печи, которые обеспечивают более высокие температуры плавления, что критически важно для последующей обработки чугуна вне печи. Формы для получения отливок из серого чугуна часто создают путем уплотнения формовочной смеси в опоках. Внутренние конфигурации отливки выполняются с помощью стержней, помещаемых в полость литейной формы.
Для массового производства мелких чугунных отливок широко используются автоматизированные линии безопочной формовки, где установка стержней осуществляется с помощью стержнеукладчиков.
Металл также автоматически заливается в формы. Отливки из серого чугуна изготавливаются не только в песчаных формах, но и в металлических. Ценится центробежный метод литья, который позволяет производить детали в форме тел вращения, увеличивая производительность труда и исключая использование формовочных материалов, а также литниковой системы.
Серый чугун зарекомендовал себя в качестве надежного конструкционного материала, применяемого в производстве разнообразных деталей, работающих под статичными нагрузками, при вибрациях и повышенном трении.
Где используется серый чугун?
На сегодняшний день серый чугун является одним из самых широко используемых материалов. Его основные компоненты — углерод и кремний. Вместе со сталью он остается одним из наиболее популярных инженерных сплавов.
В ранние годы развития автомобильной промышленности серый чугун был предпочтительным материалом для изготовления блоков цилиндров, головок и множества других компонентов силовых агрегатов. В настоящее время благодаря своим уникальным свойствам и экономической доступности он широко используется для производства люков, дождеприемников и прочих элементов дорожной и инженерной инфраструктуры.
Название «серый чугун» произошло от характерного серого цвета поверхности разлома, который является результатом его структурной конфигурации.
В сером чугуне графит затвердевает в виде взаимосвязанных чешуек. Каждое такое скопление формирует эвтектическую ячейку, сравнимую с зернами в других металлах. Уменьшение размеров ячеек способствует повышению прочности. Несмотря на это, серый чугун, как правило, имеет низкую прочность и пластичность, а графитовые хлопья действуют как маленькие внутренние трещины, создавая концентрированные зоны напряжений. Классификация серого чугуна осуществляется по номеру класса, который отражает его номинальную прочность на разрыв.
Поскольку серый чугун отличается крайне низкой пластичностью, пределами текучести и относительным удлинением, эти характеристики редко уделяются особому вниманию при измерениях. Его обычно классифицируют как хрупкий материал.
Ковкий чугун в автомобилестроении
Ковкий чугун обладает большей прочностью и жесткостью по сравнению с серым. Он получается в результате обработки высокоуглеродистого железа с добавлением магния или церия, что ведет к образованию сферических графитовых включений во время затвердевания.
Наиболее распространенные области применения ковкого чугуна включают детали автомобильного производства, которые требуют высокой прочности и ударной вязкости в условиях термического воздействия. Ковкий чугун используется для отливки таких компонентов, как коленчатые и распределительные валы, выпускные коллекторы, поворотные кулаки, рычаги подвески, держатели дифференциала и пружинные пряжки.
Качественная обработка ковкого чугуна играет значительную роль в определении его свойств. Первый этап в производственном процессе включает в себя удаление избытка серы из расплавленного чугуна. Сера иногда добавляется в серый чугун, так как она способствует образованию графитовых хлопьев. Однако для ковкого чугуна ее содержание должно быть сведено к минимуму. Удаление серы обычно достигается добавлением оксида кальция или других аналогичных компонентов.
Маркировка серых чугунов
Маркировка серых чугов осуществляется с помощью обозначения СЧ — серый чугун, представляющий собой сплав железа, углерода и кремния, где углерод находится в виде графита. В соответствии с ГОСТ 1412-70 буква С указывает на серый, а Ч – на чугун. Обычно маркировка сопровождается цифрами, например, СЧ 00, СЧ 12-28. В данном случае цифры отражают пределы прочности на растяжение и изгиб.
СЧ также делится на несколько групп, каждая из которых характеризуется своими свойствами и использованием:
- Ферритные и ферритно-перлитные – к ним относятся изделия с пределами прочности СЧ 12-28 по растяжению и 28-40 по изгибу. Они используются для изготовления малозначительных деталей, не требующих высокой прочности, таких как декоративные колонны и арматура.
- Перлитные – маркировка СЧ 21-40 и 40-60. Эти чугуны применяются для производства сверхпрочных деталей, подвергающихся значительным динамическим нагрузкам и давлениям, таких как зубчатые колеса и головки поршней.
- Сталистые – СЧ 24-44 и СЧ 28-48. Эти материалы содержат сталь и применяются для деталей, работающих при скользящих нагрузках, например, неподвижные станины.
- Модифицированные – СЧ 32-40 и 52-64. Эти чугуны производятся с добавлением специальных добавок для улучшения свойств, что позволяет получить, например, материалы с меньшей предрасположенностью к трещинам.
- Антифрикционные (АЧС) – эти чугуны используют для деталей, работа которых связана с трением, например, подшипников скольжения. Существует несколько разновидностей:
- АЧС-1 и АЧС-2 – используют для взаимодействия с закаленными деталями, отличаясь составом.
- АЧС-3 применяется в остальных случаях.
Например, если нарваться на маркировку СЧ 12-28, это будет означать, что перед вами ферритный серый чугун с прочностью на растяжение 12 единиц и на изгиб 28 единиц.
Маркировка высокопрочного чугуна
При производстве высокопрочного чугуна часто применяются щелочные и щелочноземельные металлы. Эти добавки усиливают металлическую основу, в результате чего получаются заготовки, способные выдержать механические нагрузки, аналогичные тем, что могут выдержать углеродистые стали.
При маркировке, как правило, используется аббревиатура ВЧ, за которой следуют цифры. Первая группа чисел показывает предел прочности на растяжение, а вторая на удлинение.
ВЧ используется для изготовления деталей и корпусов в тяжелой промышленности и также может встречаться в антифрикционных вариантах, таких как АЧВ 1 и АЧВ 2, что обозначает антифрикционный высокопрочный чугун.
Литейные свойства
Серый чугун обладает множеством уникальных свойств, благодаря которым он является одним из наиболее востребованных материалов для литья:
- Высокая текучесть в жидком состоянии, позволяющая эффективно заполнять тонкие и сложные формы с минимальными рисками возникновения усадочных раковин и трещин. Это особенно важно при производстве деталей с тонкими стенками и сложными геометрическими формами.
- Не значительное уменьшение объема при затвердевании снижает вероятность возникновения трещин и деформаций заготовок, что способствует получению точных отливок с минимальными припусками для дальнейшей механической обработки.
- Минимальное прилипание к стенкам форм облегчает извлечение отливок и повторное использование форм, что уменьшает трудоемкость процесса литья.
- Чугун легко поддается механической обработке резанием, что позволяет достигать требуемых размеров и шероховатости поверхности отливок, что расширяет его применение в различных отраслях.
- Сплав обладает хорошими демпфирующими свойствами, что делает его идеальным материалом для изготовления корпусов станков, двигателей и других механизмов, работающих под динамическими нагрузками.
- Серый чугун является сравнительно недорогим материалом, что делает его экономически эффективным для массового производства.
Механические характеристики
Механические характеристики серого чугуна зависят от его химического состава, структуры и технологии выплавки.
- Прочность при растяжении варьируется от 60 до 350 МПа (кгс/мм²).
- Предел текучести составляет от 40 до 300 МПа (кгс/мм²).
- Относительное удлинение находится в пределах 1-10%.
- Ударная вязкость колеблется от 0,5 до 5 Дж/см² (кгс·м/см²).
- Твердость по Бринеллю варьируется от 130 до 300 HB.
- У этого сплава высокая износостойкость.
- Демпфирующая способность также высока.
Важно отметить, что прочность серого чугуна ниже, чем у стали, а его пластичность также ограничена. Этот сплав играет роль хрупкого материала и не способен выдерживать ударные нагрузки.
Химический состав
Свойства и химический состав серого чугуна регулируются в соответствии с ГОСТом 1412-85.
Оптимальное содержание углерода составляет от 2,4% до 3,7%. При недостаточном содержании углерод полностью растворяется в железе, а превышение этого уровня приводит к потере твердости и упругости.
Кремний присутствует в количестве от 1,2% до 2,5%. Он способствует процессу графитизации, повышая твердость металла и уменьшая его вязкость. Взаимосвязь углерода и кремния рассматривается в целом, принимая во внимание их совместное содержание.
Сера соединяется с железом с образованием сульфида FeS, что негативно влияет на механические свойства прочности и пластичности сплава. Допускается содержание серы в пределах не более 0,12-0,15%.
Марганец смягчает негативное воздействие серы и способствует образованию свободных карбидов железа. Его содержание определяется уровнем серы и обычно составляет от 0,5% до 1,1%.
Содержимое фосфора не превышает 0,2-0,3%. Этот элемент образует включения фосфидной эвтектики, что повышает твердость и износостойкость материала.
В зависимости от марки допустимо добавление следующих элементов в состав серого чугуна:
- Хром – улучшает карбидообразование, а вместе с ним твердость и прочность;
- Олово, которое содействует равномерному распределению твердости в разных сечениях;
- Никель и молибден – повышают коррозионную стойкость и улучшают обрабатываемость;
- Медь – ускоряет графитизацию, увеличивает упругость и коррозионную стойкость, улучшает обрабатываемость;
- Сурьма – до 0,08%, воздействует на процессы кристаллизации.
Структура сплава
На свойства и применение серого чугуна существенно влияют его состав и структура. Один из решающих факторов формирования металлической основы – это скорость охлаждения после затвердевания. Эта скорость напрямую определяет металлическую основу структуры сплава.
Перлитная основа формируется при быстрой скорости охлаждения, где в структуре преобладают перлитные составляющие, состоящие из феррита и карбида, между которыми диспергированы тонкие пластины графита. Так сформированная структура имеет высокую твердость и прочность.
Ферритно-перлитная структура возникает при более медленном охлаждении, в этом случае возрастает доля феррита – сплава железа с оксидами Fe2O3 и другими металлами. Образуется основа, которая состоит из феррита, перлита и пластинчатого графита, что обеспечивает более высокую пластичность материала.
