Серый чугун - состав, свойства и марки. Чугун серый состав
Состав чугуна
Чугун это сплав железа и углерода ( количество которого составляет более 2,14%), характеризуется эвтектическим образованиями. Углерод в чугуне находится в виде графита и цементита. В зависимости от форм графита, и количества цементита чугун разделяют на: белый и серый, ковкий и высокопрочный чугун. Хим. состав чугуна содержит в себе постоянные примеси (Si, Mn, PS, P), а в редких случаях также присутствуют легирующие элементы как(> Cr, Ni, V, Al и др.). Обычно чугун хрупкий. Большому распространению чугуна в машиностроении способствовало наличие хороших литейных, а также прочность и твердость. Мировое производство чугуна до кризиса 2008-м составило более 953 млн. тонн (в частности в Китае выплавили- 477 млн. тонн).
Химический состав чугуна и его виды
Белые и серые виды чугуна различают по цвету излома, который обусловливается структурой углерода в чугуне как карбида железа или же свободного графита, высокопрочный чугун с шаровидным графитом, чугуны с вермикулярным графитом называются ковкими. Углерод в белом чугуне находится в виде цементита, а в сером чугуне- в находится в виде графита.
Состав чугуна белого
В белом чугуне весь присутствующий углерод прибывает в состоянии цементита. В структуру белого чугуна входит - перлит, ледебурит, также цементит. Через светлый оттенок чугун получил название белый.
Состав серого чугуна и его структура
Серый чугун - вид чугуна, который, не содержит ледебурита, в нем весь углерод (или часть углерода) находится в виде графита. Название получил благодаря серому цвету поверхности излома.
Принадлежит наряду с белым чугуном, к основным видам чугуна. В состав серого чугуна, кроме железа и углерода (2,5 ... 4,5%), входит кремний около(0,8 ... 4,5%), а также марганец (0,1 ... 1,2%), и фосфор (0 , 02 ... 0,3%) с серой (0,02 ... 0,15%). Предел прочности серых чугунов при растяжении - 100 ... 350 МПа, сжатия - 450 ... 1400 МПа, твердость по Бринеллю - 143 ... 289 HB.
Основная характеристика серого чугуна низкое сопротивление отрыва, достаточно низкая ударная вязкость. Поэтому чем мельче есть графитовые пластины и чем сильнее пластины изол
elhow.ru
Серый чугун: свойства, применение, виды, обработка
Серый чугун — это сплав железа с углеродом, который при охлаждении металла образуется в виде хлопьевидных или пластинчатых включений. Содержание углерода в сплаве превышает 2,14%, что выше нормальной растворимости. Этим сплав и отличается от стали, в которой углерод полностью растворен и отсутствует в виде отдельных включений, структура которых определяет их как графит.
Серый чугун
Основные характеристики
Серый чугун лежит в основе черной металлургии, поскольку получается в результате восстановления железных руд при помощи углеродного топлива (кокса). В результате, кроме химической реакции восстановления окислов железа, сплав дополнительно насыщается свободным углеродом.
Высокое содержание углерода в свободном состоянии определяет механические свойства серого чугуна. Одно из основных качеств, которые позволяют использовать серый чугун не только в качестве передельного металла, это его высокие литейные качества и малая усадка при застывании. Расплавленный металл имеет высокую текучесть, поэтому из него можно выполнять отливки сложной формы.
Плиты серого чугуна
Ограничение по использованию изделий из серого чугуна обусловлено тем, что он имеет низкую прочность на изгиб, высокую хрупкость. Вместе с тем прочность серого чугуна на сжатие очень высока.
Несмотря на высокую хрупкость, такая характеристика, как износостойкость чугуна, позволяет использовать его в изделиях, работающих в условиях трения. В данных условиях сильное влияние оказывают антифрикционные свойства сплава.
Наличие большого количества углерода снижает плотность серого чугуна по сравнению с большинством сортов стали и составляет от 6,8 до 7,3 т на м3.
Из-за наличия вкраплений углерода сварка серого чугуна практически невозможна. Существуют технологии сварки при наличии определенных условий. Это предварительный нагрев деталей, использование специальных высокоуглеродистых электродов, но все равно, структура металла шва сильно отличается от основного материала. Свариваемые детали должны медленно охлаждаться для устранения напряжений в зоне шва.
Химический состав и структура
В химический состав сплава, кроме железа и углерода, входит также некоторое содержание кремния. Свойства сплава зависят от условий охлаждения, поскольку время изменения температуры влияет на формирование внутренней структуры материала.
При медленном остывании образуются крупные кристаллы железа, и соединения металла с углеродом приобретают перлитную основу. Медленное остывание вызывает рост геометрических размеров не только кристаллов железа, но и включений углерода, поэтому, перлитный металл имеет высокую прочность, но повышенную хрупкость.
Микроструктура серого чугуна
В условиях быстрого охлаждения углерод не успевает сформировать крупные включения графита, поэтому сплав приобретает ферритную структуру.
Ферритный серый чугун имеет несколько меньшую хрупкость, чем перлитный.
Выбирая режим охлаждения литой заготовки, можно определенным образом влиять на итоговые свойства материала, в зависимости от предъявляемых требований.
Применение
Серый чугун широко применяется при литье изделий, для которых важна высокая прочность на сжатие. Это свойство важно, главным образом, при изготовлении литых станин инструментального парка. Применение материала ограничивается повышенной хрупкостью изделий при наличии значительных изгибающих усилий.
Изделие из серого чугуна
Ранее широко использовались хорошие литейные свойства материала при изготовлении различных изделий бытового и промышленного назначения. Разнообразная кухонная и бытовая утварь – чугунки, сковороды, утюги, изготовленная литьем при минимальной последующей обработке имела низкую себестоимость и легкость в производстве.
В настоящее время при помощи литья изготавливают также высоконагруженные элементы машин, где они не подвергаются изгибающим нагрузкам. Это поршни и цилиндры двигателей внутреннего сгорания.
Детали высокой прочности, отлитые из серого чугуна, имеют минимальную стоимость и высокий срок службы. Без преувеличения можно сказать, что литые станины и корпуса станков являются практически вечными по сравнению с остальными элементами устройства.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
stankiexpert.ru
Серые чугуны. Структура, свойства, область применения.
Промышленные серые чугуны представляют собой особый сплав из железа, углерода и кремния. Также в их состав входят постоянные примеси (Mn, S, P, атм. газы). Кремний является элементом-графитизатором. Он действует в том же направлении, что и понижение скорости охлаждения., т.е. изменением содержания кремния можно регулировать структурный состав чугунов.
При наличии тонких стенок в отливке, скорость охлаждения в них более высокая, поэтому есть опасность появление в них структур, характерных для белых чугунов (отбел). Поэтому чугуны для таких изделий должны содержать повышенное количество углерода.
Серый чугун широко применяется в машиностроении, так как легко обрабатывается и обладает хорошими свойствами.
Серые чугуны при малом сопротивлении растяжению имеют достаточно высокое сопротивление сжатию.
Серые чугуны содержат углерода – 3,2…3,5 %; кремния – 1,9…2,5 %; марганца –0,5…0,8 %; фосфора – 0,1…0,3 %; серы – < 0,12 %. Лучшими прочностными свойствами и износостойкостью обладают перлитные серые чугуны.
Учитывая малое сопротивление отливок из серого чугуна растягивающим и ударным нагрузкам, следует использовать этот материал для деталей, которые подвергаются сжимающим или изгибающим нагрузкам. Отливки из серого чугуна также используются в электромашиностроении, для изготовления товаров народного потребления.
Ковкие чугуны. Структура, свойства, область применения.
Получают отжигом белого доэвтектического чугуна.
Хорошие свойства у отливок обеспечиваются, если в процессе кристаллизации и охлаждения отливок в форме не происходит процесс графитизации. Чтобы предотвратить графитизацию, чугуны должны иметь пониженное содержание углерода и кремния.
Ковкие чугуны содержат: углерода – 2,4…3,0 %, кремния – 0,8…1,4 %, марганца – 0,3…1,0 %, фосфора – до 0,2 %, серы – до 0,1 %.
Отливки выдерживаются в печи при температуре 950…1000 0С в течении 15…20 часов. Происходит разложение цементита:.
Структура после выдержки состоит из аустенита и графита (углерод отжига).При медленном охлаждении в интервале 760…720oС, происходит разложение цементита, входящего в состав перлита, и структура после отжига состоит из феррита и углерода отжига (получается ферритный ковкий чугун).
При относительно быстром охлаждении (режим б) вторая стадия полностью устраняется, и получается перлитный ковкий чугун.
Структура чугуна, отожженного по режиму в, состоит из перлита, феррита и графита отжига (получается феррито-перлитный ковкий чугун)
Отжиг является длительной 70…80 часов и дорогостоящей операцией. В последнее время, в результате усовершенствований, длительность сократилась до 40 часов.
Различают 7 марок ковкого чугуна: три с ферритной (КЧ 30 – 6) и четыре с перлитной (КЧ 65 – 3) основой (ГОСТ 1215).
По механическим и технологическим свойствам ковкий чугун занимает промежуточное положение между серым чугуном и сталью. Недостатком ковкого чугуна по сравнению с высокопрочным является ограничение толщины стенок для отливки и необходимость отжига.
Отливки из ковкого чугуна применяют для деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках.
Из ферритных чугунов изготавливают картеры редукторов, ступицы, крюки, скобы, хомутики, муфты, фланцы.
Из перлитных чугунов, характеризующихся высокой прочностью, достаточной пластичностью, изготавливают вилки карданных валов, звенья и ролики цепей конвейера, тормозные колодки.
Обозначаются индексом КЧ (высокопрочный чугун) и двумя числми, первое из которых показывает значение предела прочности, умноженное на 10-1, а второе – относительное удлинение - КЧ 30 - 6.
studfiles.net
марки, химический состав, структура. Серый чугун и применение СЧ
Основные составляющие серого чугуна (СЧ) – железо, углерод и графит. И если первые два элемента являются стандартным сочетанием для большинства сталей, то графит, присутствующий в сером чугуне в виде отдельных включений (хлопья, волокна, пластины), наделяет данный сплав весьма необычными свойствами. Прежде всего, это высокие литейные свойства, которые позволяют применять СЧ для отливки массивных станин промышленных станков, поршней, цилиндров и прочих изделий, вынужденных противостоять силам сжатия.
При этом серый чугун, благодаря всё тому же графиту, является сплавом хрупким, т.е. разрушающимся при относительно небольшой ударной нагрузке. Другими словами, элементы из СЧ не могут применяться в механизмах, работающих на изгиб или растяжение.
Структура серого чугуна
В основу классификации серых чугунов заложены особенности структуры материала, а именно – формы включений из графита. Этот элемент может присутствовать в структуре в виде:
- игольчатых включений
- пластинчатых завихренных
- пластинчатых прямолинейных
- гнездообразных
Свою роль играет и металлическая основа серого чугуна, которая может быть:
- перлитной
- ферритной
- феррито-перлитной
Химический состав
Для всех марок данного сплава характерен следующий химсостав:
- C – в пределах 2,9-3,7%
- Si – в пределах 1,2-2,6%
- Mn – в пределах 0,5-1,1%
- P – до 0,2-0,3%
- S – до 0,12-0,15%
Дополнительно серый чугун может легироваться при помощи хрома (Cr), никеля (Ni) или меди (Cu). Если же в составе материала присутствуют такие элементы как магний (Mg) или церий (Ce), то вкрапления графита приобретают глобулярную форму, в свою очередь, обеспечивающую максимально высокую прочность сплава.
Серый чугун: марки чугуна, маркировка и применение
Данный сплав всегда маркируется символами СЧ, после которых ставятся цифры, указывающие на предел прочности (кг/мм²). Так, существуют сплавы СЧ20, СЧ30 и т.д. Для высокопрочных чугунов технологи используют обозначение «ВЧ», а к цифрам, указывающим прочность, добавляется показатель относительного удлинения (%). К примеру, ВЧ50-2.
На сегодня распространение получили следующие марки чугуна: СЧ10, СЧ15, СЧ18, СЧ20, СЧ21, СЧ25, СЧ30, СЧ35.
Считается, что серый чугун наиболее дешев в производстве, к тому же на фоне его отличных литейных качеств ему находят крайне широкое применение в машиностроении. В частности, СЧ незаменим для отливки разнообразных деталей, которые в процессе эксплуатации не подвергаются большим механическим нагрузкам. Вместе с тем, для серого чугуна с перлитной металлической структурой характерна очень высокая прочность на сжатие, что позволяет отливать из этого материала высоконагруженные детали различных механизмов.
Стоит отметить, что СЧ участвует в производстве более чем 80% всех чугунных отливок. Особой востребованностью пользуется материал с пластинчатыми вкраплениями графита.
fx-commodities.ru
Серый чугун - состав, свойства и марки
В структуре серых чугунов большая часть или весь углерод находится в виде графита. Наибольшее применение нашли доэвтектические группы, содержащие 2,4-3,8% С. Чем выше содержание С, тем больше образуется графита и тем ниже содержание С, тем больше образуется графита и тем ниже его механические свойства. В связи с этим количество углерода в чугуне обычно не превышает (хорошей жидкотекучести) углерода должно быть не меньше 2,4%.
Поскольку структура чугуна состоит из металлической основы и графита, то и свойства чугуна будут зависеть от свойств металлической основы и количества и характера графитных включений.
Графит по сравнению со сталью обладает ничтожно низкими механическими свойствами, и поэтому графитные включения можно считать в первом приближении просто за пустоты, трещины. Отсюда следует, что чугун можно рассматривать как сталь, но испещренную большим количеством пустот и трещин.
Чем больше объема занимают эти пустоты, тем ниже будут свойства чугуна. При одинаковом объеме пустот, то есть количестве графита, свойства чугуна будут зависеть от его формы и расположения.
Чем меньше графитовых включений, чем они мельче и больше степень изолированности их друг от друга, тем выше прочность чугуна. Чугун с мелкими и завихренными графитными включениями обладает более высокими свойствами.
Разрушающая нагрузка при сжатии в зависимости от структуры чугуна в 3-5 раз больше, чем при растяжении, поэтому нужно использовать для изделий, работающих на сжатие.
Пластинки графита менее значительно, чем при растяжении, снижают прочность при изгибе, так как часть изделия при этом испытывает сжимающие напряжения. Предел прочности при изгибе имеет промежуточное значение между пределом прочности на растяжение и пределом прочности на сжатие.
Твердость чугуна в зависимости от металлической основы равна 143-255 НВ.
Сказанное относится главным образом к серому чугуну с пластинчатыми включениями графита. По мере округления графитных включений их данное отрицательное влияние уменьшается.
Округлые включения шаровидного графита не создают резкой концентрации напряжений; такие включения не являются трещинами, и чугун с шаровидным графитом показывает значительно более высокую прочность при растяжении и изгибе, чем чугун с пластинчатым графитом. Отсюда и название чугуна с шаровидным графитом – высокопрочный чугун. Ковкий чугун с хлопьевидным графитом занимает промежуточное положение по прочности между обычным серым и высокопрочным чугуном.
Таким образом, прочность чугуна (в отношении нормальных напряжений) определяется строением металлической основы и формой графитных включений.
Благодаря наличию графита чугун имеет некоторые преимущества перед сталью:
- наличие графита облегчает обрабатываемость резанием, делает стружку ломкой;
- графит повышает износостойкость и антифрикционные свойства чугуна вследствие собственного «смазывающего» действия и повышения прочности пленки смазки;
- наличие графитных включений быстро гасит вибрации и резонансные колебания;
- чугун почти не чувствителен к дефектам поверхности, надрезам и т.д. Графит, нарушая оплошность металлической основы, делает чугун малочувствительным ко всевозможным внешним концентраторам напряжений (дефектам поверхности, надрезам, выточкам и т.д.). Вследствие этого серый чугун имеет примерно одинаковую конструктивную прочность и в отливках простой формы или с ровной поверхностью, и в отливках сложной формы с надрезом или плохо обработанной поверхностью;
- следует также указать на превосходство чугуна перед сталью по литейным свойствам. Более низкая температура плавления и окончание кристаллизации при постоянной температуре (образование эвтектики) обеспечивают лучшую жидкотекучесть и заполняемость формы.
Указанные достоинства чугуна делают его ценными конструкционным материалом, широко применяемым для изготовления деталей машин, главным образом тогда, когда детали не испытывают значительных растягивающих и ударных нагрузок.
Серый чугун маркируется буквами С (серый) и Ч (чугун). После букв следуют цифры, указывающие среднее значение временного сопротивления при растяжении.
Серые чугуны по свойствам и применению можно разделить на следующие группы.
Ферритные и ферритно-перлитные чугуны (СЧ10,СЧ15) имеют при растяжении Qв 10-15 кгс\мм2 (100-150МПа), при изгибе – 28-32 кгс/мм2(280-320 МПа). Их примерный состав: 3,5-3,7%С; 2,0-2,6%Si;0,5-0,8% Mn; <=0,3% Р;<=0,15% S. Структура чугуна – перлит, феррит и графит грубый и средних размеров. Эти чугуны применяют для изготовления малоответственных деталей, испытывающих небольшие нагрузки в работе с толщиной стенки отливки 10-30мм.Так,чугун СЧ10 используют для изготовления строительных колон, фундаментных плит, а чугуны СЧ15 и СЧ18 – для литых малонагруженных деталей станков, автомобилей и тракторов, арматуры.
Перлитные чугуны (СЧ21, СЧ32, СЧ36, СЧ40) применяют для отливки станин мощных станков и механизмов, поршней цилиндров, деталей, работающих на износ в условиях больших давлений (компрессорное, турбинное литье, дизельные цилиндры, блоки двигателей, детали металлургического оборудования). Структура этих чугунов – мелкопластинчатый перлит (сорбит) с мелкими завихренными графитными включениями. К перлитным чугунам относятся так называемые сталистые и модифицированные чугуны.
Сталистые чугуны (СЧ24, СЧ28) получают выплавкой с добавлением в шихту 20-30% стального лома;
Чугуны имеют пониженное содержание углерода, что обеспечивает получение более дисперсной перлитной основы с меньшим количеством графических включений. Содержание кремния в этих чугунах должно быть достаточным для предотвращения возможности отбеливания чугуна.
Модифицированные чугуны (СЧ30, СЧ36, СЧ40, СЧ45) получают добавлением в жидкий чугун перед разливкой специальных модификаторов. Модифицирование применяют для получения в крупных отливках с различной толщиной стенок перлитной основы с вкраплением небольшого количества изолированных пластинок графита средней величины.
Модифицированию подвергают низкоуглеродистый чугун, содержащий небольшое количество кремния и повышенное количество марганца. Примерный состав чугуна до модификаций: половинчатый чугун, то есть ледебурит, перлит и графит (2,8-3,3% С; 1,0-1,5%Si; 0,8-1,2% Mn; не более 0,3%Р и 0,12%S).
Для снятия литейных напряжений и стабилизации размеров чугунные отливки отжигают при 500-700С. В зависимости от формы и размеров отливки выдержка при температуре отжига составляет 3-10ч.
Охлаждение после отжига медленное, вместе с печью. После такой обработки механические свойства изменяются мало, а внутренние нагрузки снижаются на 80-90%. Иногда для снятия напряжений в чугунных отливках применяют естественное старение чугуна – выдержка их на складе в течение 6-10 месяцев. Такая выдержка снижает напряжения на 40-50%.
material.osngrad.info
Серый чугун
Рекомендуем приобрести:
Установки для автоматической сварки продольных швов обечаек - в наличии на складе! Высокая производительность, удобство, простота в управлении и надежность в эксплуатации.
Сварочные экраны и защитные шторки - в наличии на складе! Защита от излучения при сварке и резке. Большой выбор. Доставка по всей России!
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:
www.autowelding.ru
Серый чугун
Серый чугун
Структура серого чугуна, как и других сплавов, весьма разнообразна и является главным фактором, определяющим его свойства. При этом основное значение имеет либо графит, либо матрица, в зависимости от рассматриваемых свойств. Важнейший процесс, определяющий структуру серого чугуна, а значит, и его свойства, - это графитизация, от которой зависят не только количество и характер графита, но в значительной степени и структура матрицы.
Большое значение имеет также дисперсность структуры матрицы, на которую значительно влияет состав чугуна. Однако еще большую роль в изменении дисперсности матрицы часто играют жидкое состояние расплава, модифицирование, скорость охлаждения и другие факторы.
Общепризнано, что важнейшими элементами, определяющими структуру и свойства серого чугуна, являются углерод и кремний, всегда присутствующие в металле в том или ином количестве. Эти элементы определяют также положение чугуна по отношению к эвтектике, но в этом отношении влияние фосфора аналогично влиянию кремния.
Другим важным фактором, влияющим на структуру серого чугуна, является жидкое состояние расплава, которое определяется составом и природой шихтовых материалов (структурой графита, матрицы и других фаз, содержанием газов, неконтролируемых примесей, неметаллических включений и т. п.), условиями плавки и характером внепечной обработки (температурой перегрева, выдержкой, рафинированием, модифицированием и др.). При этом размер включений графита и степень графитизации увеличиваются, а количество междендритного графита (МГ) уменьшается с укрупнением графита в шихтовых материалах, уменьшением перегрева и особенно применением модифицирования. Таким образом, действие факторов жидкого состояния является сложным и часто может быть различным с точки зрения оптимизации структуры. Поэтому указанные факторы необходимо сочетать в зависимости от всех условий производства.
В связи с этим, повышая в определенных пределах перегрев и выдержку чугуна в печи, а также применяя модифицирование, можно получить те или иные результаты в зависимости от состава чугуна, наличия в нем зародышей графита и величины переохлаждения при кристаллизации. Чем меньше зародышей в жидком чугуне и чем больше его склонность к переохлаждению, тем эффективнее модифицирование, в отсутствии которого термовременная обработка может отрицательно повлиять на свойства чугуна.
Механические свойства серого чугуна и рекомендуемые для них составы представлены в табл. 1.8.
Таблица 1.8. Механические свойства и рекомендуемые составы серого чугуна.
Большим преимуществом серого чугуна, является его малая чувствительность к надрезам, что характеризует его высокие качества как конструкционного материала.
Кроме состава серого чугуна, на его механические свойства, как и на структуру, большое влияние оказывают факторы жидкого состояния, зависящие от метода плавки, температуры перегрева, природы шихтовых материалов, в частности количества стального лома в шихте. При этом качество чугуна возрастает с уменьшением количества и размера включений графита, газосодержания, примесей (As, Sb, Pb, Sn, Ti, Bi, V) и неметаллических включений в шихтовых материалах. Известно также, что наиболее высокие механические свойства серого чугуна могут быть получены при плавке в электрических печах или при дуплекс-процессе с проведением оптимальной термовременной обработки. Из методов внепечной обработки наиболее эффективными являются модифицирование и ковшовое легирование.
Большое влияние на механические и другие свойства отливок имеет скорость охлаждения, а значит, и толщина стенок отливок. Поэтому при оценке прочности отливок часто приходится изготовлять разные заготовки.
Изменение температуры различно влияет на механические свойства серого чугуна. Прочность начинает заметно понижаться при 350 - 400° С как при кратковременных, так и при длительных нагрузках. Аналогично измеряется твердость, причем уже начиная с нормальной температуры. Пластичность ,наоборот, сначала повышается, достигает максимума при 800° С, но потом начинает резко снижаться, практически до нуля при температурах, близких к солидусу, вызывая опасность образования горячих трещин. Однако характер этих изменений, особенно прочности, зависит от состава чугуна, главным образом от содержания Crr Ni, Мо, которые оказывают положительное влияние, как и при нормальной температуре. При пониженных температурах свойства изменяются в значительно меньшей степени, причем при перлитной структуре прочность несколько понижается, а при ферритной – повышается.
Физические свойства серого чугуна (плотность, тепловые и электромагнитные свойства) приведены в табл. 1.12. Они тоже зависят от состава и структуры, а значит, и от марки чугуна. Плотность отдельных структурных составляющих приводится ниже :
Таблица 1.12. Серый чугун. Физические свойства.
Тепловые свойства серого чугуна - коэффициент линейного расширения, теплоемкость и теплопроводность - также зависят от состава и структуры чугуна. Электрические и магнитные свойства серого чугуна также определяются его составом и структурой. Магнитные свойства серого чугуна зависят, главным образом, от структуры матрицы.
Химические свойства (сопротивление коррозии и жаростойкость) серого чугуна зависят как от состава и структуры чугуна, так и от внешних факторов - состава и температуры среды. Различают классы стойкости в сильно и среднеагрессивных средах.
По сопротивлению коррозии в различных средах серый чугун может быть отнесен к различным классам стойкости. Коррозионная стойкость серого чугуна повышается по мере измельчения графита и уменьшения его количества, при однофазной структуре матрицы (например, Фе), а также при уменьшении содержания Si, S и Р. Для повышения стойкости целесообразно применять модифицированный СЧ, а также легированный Си (до 1,4%), Ni (до З%), Сг (до 1,0%) и другими элементами. Так, для работы в щелочной среде рекомендуются чугуны, содержащие 0,8-1,0% Ni и 0,6-0,8% Сг или 0,35-0,5% Ni и 0,4-0,6% Сг. Однако при воздействии на металл сильных реагентов следует применять высоколегированные чугуны.
Серый чугун по жаростойкости характеризует работоспособность чугуна при повышенных и высоких температурах в условиях действия малых нагрузок, когда главной причиной разрушения отливок является образование окалины или трещин.
Технологические свойства серого чугуна (свариваемость и обрабатываемость) также определяются его составом и структурой. Свариваемость серого чугуна значительно хуже, чем углеродистой стали, такпсак при обычных режимах сварки возникает переходная зона, отличающаяся высокой хрупкостью, что может привести к образованию трещин. Поэтому, газовая и электродуговая сварка СЧ, как и заварка дефектов на отливках, может производиться только по особой технологии.
Серый чугун по обрабатываемости связан с его твердостью НВ обратной зависимостью. Наличие графита полезно, так как в, его присутствии стружка получается крошащейся и давление на резец уменьшается. Влияние формы графита .незначительно. Обрабатываемость оценивается стойкостью режущего инструмента, допустимыми скоростями резания, чистотой обработанной поверхности и т. п. Она улучшается по мере увеличения количества Фе в структуре, а также по мере повышения однородности структуры, т. е. при отсутствии в ней включений (ФЭ, карбидов), обладающих повышенной НВ. Оценку обрабатываемости часто производят по экономической скорости резания, определяющей допустимую скорость обработки при обеспечении определенной стойкости резца.
Важными служебными свойствами СЧ являются износостойкость и герметичность. Износостойкость характеризует долговечность деталей и самих машин, работающих в условиях трения, и определяется как скорость потери металла. Различают износ при трении со смазкой, при сухом трении, абразивный и эрозионно-кавитационный. Износостойкость СЧ, как и других металлов, определяется условиями трения, но большое значение имеет также состав чугуна и особенно его структура, которая должна удовлетворять правилу Шарпи. Поэтому в зависимости от условий трения применяют разные чугуны
Серый чугун по литейным свойствам значительно лучше, чем другие сплавы. Это позволяет применять его для тонкостенных отливок и определяет сравнительную простоту технологических процессов и высокий коэффициент выхода годного. Прежде всего следует отметить жидкотекучесть, которая определяется разными способами, но чаще всего по спиральной пробе, отливаемой в соответствии с ГОСТ 16438-70 в песчаной или металлической форме.
Вторым важнейшим литейным свойством является усадка - изменение объема и линейных размеров отливок в результате термического сжатия, фазовых превращений и силового взаимодействия с формой в процессе затвердевания и остывания. Понижение температуры вызывает уменьшение объема на 1,1- 1,8% на каждые 100° С, а графитизация серого чугуна, наоборот, дает увеличение объема на 2,2% на 1% выделившегося графита. Объемная усадка жидкого металла тем больше, чем больше коэффициент объемной усадки жидкого металла.
xn----etbgnakbgoaekb6bub9d3d.xn--p1ai
