Все о сером чугуне

Свое название серый чугун получил за счет графитовых вкраплений, которые придают материалу характерный оттенок в месте излома. Он проявляет исключительные литейные характеристики, которые обуславливают повсеместное применение металлов в машиностроении. Отливки, выполненные из такого сплава, характеризуются устойчивостью к износу, плотностью и прочностью.

Любые стальные сплавы гораздо дороже чугунных. Это объясняется весьма дорогой и технологически сложной спецификой производства. Именно поэтому чугун нашёл своё применение в областях, где допускается экономия на бюджетной составляющей. В зависимости от микроструктуры металла выделяют пять основных разновидностей чугуна — белый, серый, ковкий, особой прочности, а также половинчатый. Базовым критерием для классификации является форма графита в микроструктуре кристаллической решетки. Наиболее хрупким считается белый сплав, поскольку вместо частичек графита в нём содержится ледебурит.

Группа сплавов, носящих наименование «серые», включают также и несколько ковких разновидностей. Это вносит заметную путаницу в определение сути терминологии. Поэтому для упрощения принято использовать типовые стандарты. В соответствии с ними серый чугун — это металлический сплав, состоящий из железа, графита и некоторых других примесей, которые включают для придания тех или иных эксплуатационных свойств и легирования.

Таким образом, серый чугун, по своей сути, представляет собой обычный сплав железа и углерода, который в случае охлаждения металлической базы формуется в форме пластинчатообразных либо хлопьевидных включений. Присутствие углерода вызывает снижение прочности с одновременным повышением пластичности. Этот элемент оптимизирует литейные характеристики металла и способствует графитизации.

Дозировка кремния варьируется от 1,3 до 2,6%. Кремний считается неотъемлемым участником процесса графитизации, способствует снижению вязкости и повышению твердости металла. Однако, если концентрация кремния будет превышать 3%, это может вызвать понижение параметров пластичности. Влияние углерода и кремния на технико-физические параметры чугуна рассматривается в единой совокупности с учётом их суммарной концентрации в структуре.

Содержание серы в таком сплаве не превышает 0,13-0,16%. Она присутствует в виде сульфида железа, вызывает снижение уровня пластичности и твердости чугуна. При закреплении на кристаллах сера ухудшает механические параметры чугуна, повышает усадку и придает ему «красноломкость» — то есть свойство растрескиваться при термическом воздействии. Чтобы нивелировать вредное влияние серы, в химический состав вводят марганец — он запускает реакции, приводящие к формированию карбидов железа. В зависимости от доли серы изменяется и количество используемого марганца, как правило, его концентрация изменяется от 0,4 до 1,2%.

Содержание фосфорного компонента не выше 0,5-0,6%. Этот элемент в сером чугуне содержится в виде фосфидной эвтектики, что в целом повышает стойкость материала к износу. В то же время элемент вызывает хрупкость материала и повышение жидкотекучести. В машиностроительных отливках его концентрация не должна быть выше 0,2%. В зависимости от марки чугунного сплава в его фазовый состав может включаться и ряд других элементов.

Никель выступает в качестве легирующего структурного элемента, обеспечивает выравнивание механических характеристик в отливках, вызывает повышение твердости, стойкости к ржавчине и улучшает параметры обрабатываемости.

• Хром — стимулирует образование карбида, придает сплаву прочность и жесткость.
• Олово — обеспечивает равномерное перераспределение твёрдости по всему материалу.
• Молибден и никель — отвечают за сопротивляемость окислительным процессам.
• Медь — ведет к ускорению графитизации, улучшает параметры обрабатываемости чугуна, повышает стойкость к появлению ржавчины и упругость.
• Сурьма — содержится в минимальных дозировках, не превышающих 0,08%. Оказывает влияние на ход кристаллизации.
• Бор — способствует повышению прочностных параметров чугуна, вызывает образование измельченных карбидов. В малых дозировках способствует графитизации, повышает прочность на прогиб и улучшает параметры ударной вязкости. При повышении дозировки пластичность и вязкость чугуна ухудшаются.
• Титан — при концентрации ниже 0,5% ускоряет графитизацию. Если концентрация выше, то оказывает обратное действие.
• Магний — в дозировке до 0,01% улучшает графитизацию, в большей концентрации увеличивает отбел, считается мощным десульфуратором.
• Молибден — способствует образованию и повышению твердости материала без снижения обрабатываемости, повышает износоустойчивость.

К главным плюсам серого чугуна относят:

• поглощение вибрации гораздо выше, нежели у стальных отливок всех типов;
• устойчивость к сжатию;
• текучесть и пониженная усадка.

К тому же серый чугун на циклических нагрузках не накапливает напряжение. Таким образом, «усталость металла» минимальна. Вместе с плюсами, имеются и свои минусы, которые существенно ограничивают область его практического применения. Главный из них состоит в хрупкости материала. Графитовые включения формируют в микроструктуре так называемые «надрезы». Технически они представляют собой уязвимости, которые делают материал менее цельным по сравнению с остальными сплавами и, соответственно, менее плотным. В связи с этим серый чугун не допускается задействовать в тех отраслях, где возникают ударные нагрузки.

Серый чугун проявляет повышенные литейные характеристики, а именно:

• малой усадкой;
• текучестью в жидкой форме;
• пониженной температурой кристаллизации;
• отсутствием предрасположенностью к образованию раковин.

Для пользователей отливок из таких материалов принципиальное значение играют такие параметры, как устойчивость к растрескиванию, порообразованию и предел прочности. Эти критерии прямо зависят от структуры чугунного сплава. Чем ниже будут величина и количество графитовых включений, тем выше эти параметры. Изделия, подвергающиеся частым ударно-абразивным воздействиям, должны отличаться повышенной прочностью.

Требование герметичности актуально в трубопроводах, гидравлических приводах, а также в компрессорах и насосах, работающих под высоким давлением газов и жидкостей. При этом уровень герметичности прямо зависит от уровня текучести, присутствия транзитной микропористости и характеристик изменения давления. Серый чугун в процессе сварки предрасположен к растрескиванию. А отдельные его разновидности не поддаются свариванию вовсе. Параметры твердости по Бринеллю для серого чугуна варьируются от 143 до 262.

Как мы уже упоминали, технико-эксплуатационные особенности сплава прямо зависят от его химического состава и структуры. Исходя из этого все модификации чугуна классифицируются в зависимости от времени охлаждения по завершении затвердевания. Этот фактор оказывает существенное воздействие на качества металлической основы. Перлитная основа — если отливка после термообработки подвергается быстрому охлаждению, то большую часть перлитной основы будет составлять феррит и карбид, а также тонкие включения графита. Подобный чугун проявляет повышенную прочность, плотность и твердость.

Ферритно-перлитная — в случае замедленного охлаждения в микроструктуре сплава возрастает концентрация сплава железа с прочими металлами. Этот чугун обладает хорошей пластичностью. Ферритная — получение основы этого типа достигается в результате стремительного охлаждения. Такой чугун состоит из довольно вязкого феррита и свободного углерода, представленного тонкими графитовыми пластинками. Высокая доля графита вызывает изменение механических характеристик, снижает параметры сопротивляемости растяжению.

Технические параметры серого чугуна, используемого для выпуска отливок, регламентируются действующим ГОСТ 1412-85. В соответствии с этим документом маркировка сплава с пластинчатым графитом состоит из набора символов букв и цифр — например, СЧ20 или СЧ15. На первом месте стоит СЧ, аббревиатура «серый чугун». Затем идет пара цифр, которые обозначают предел прочности на растяжение, измеряемый в кгс/мм2. К примеру, материал, имеющий обозначение СЧ35, означает, что перед вами чугунный сплав с включением пластинчатого графита, величина предела прочности на растяжение которого соответствуют 35 кгс/мм2.

В соответствии с действующей классификацией серый чугун маркируется по следующей схеме:

• СЧ10 — сплав ферритного типа;
• СЧ15/СЧ18/СЧ20 — ферритно-перлитный состав;
• СЧ25 и более — перлитный.

Серый чугун получил повсеместное применение при создании изделий, для которых ключевым моментом является повышенная прочность на сжатие. Эта особенность принципиальна при выпуске литых конструкций. В то же время сфера применения такого чугуна ограничивается повышенной хрупкостью этого материала в случае существенных изгибающих усилий. В прошлом исключительные литейные характеристики материала были востребованы при создании товаров промышленного и бытового назначения. В частности, из серого чугунного сплава изготавливалась бытовая утварь — сковородки, чугунные утюги, кастрюли. Для их производства использовалась техника литья, преимуществом которой был минимум последующей обработки. Это приводило к заметному снижению себестоимости готового изделия.

В наше время литьё используют для производства высоконагруженных блоков в транспортной технике. К ним относят цилиндры и поршни двигателя внутреннего сгорания. Эти детали не подвергаются высоким изгибающим нагрузкам. Изделия из серого чугуна имеют невысокую себестоимость и повышенный эксплуатационный период. Можно смело утверждать, что литые станины в сравнении со всеми остальными блоками устройства считаются практически вечными. За счёт повышенной концентрации графитов чугун приобретает устойчивость к окислению. Этот материал не подвергается ржавчине, поэтому трубы и арматуру из серого чугуна можно задействовать при проведении инженерных коммуникаций любого значения — как локального, так и магистрального.