Серые чугуны.

Серыми называют чугуны с пластинчатой формой графита. По химическому составу серые чугуны разделяют на обычные (нелегированные) и легированные. Обычные серые чугуны - сплавы сложного состава, содержащие основные элементы: и постоянные примеси: и Содержание этих примесей в серых чугунах колеблется в следующих пределах:

В небольших количествах в обычных серых чугунах может содержаться , которые попадают из руды. Почти все эти элементы влияют на условия графитизации, количество графитных включений, структуру металлической основы и, как следствие, свойства чугуна.

Углерод оказывает определяющее влияние на качество чугуна, изменяя количество графита и литейные свойства. Чем выше концентрация углерода, тем больше выделений графита в чугуне и тем ниже его механические свойства. По этой причине его максимальное содержание ограничивается доэвтектической концентрацией. В то же время снижение углерода отрицательно сказывается на жидкотекучести и, следовательно, на литейных свойствах. Нижний предел углерода принимают для толстостенных отливок, верхний - для тонкостенных.

Кремний обладает сильным графитизирующим действием; способствует выделению графита в процессе затвердевания чугуна и разложению выделившегося цементита.

Марганец затрудняет графитизацию чугуна, несколько улучшает его механические свойства, особенно в тонкостенных отливках.

Сера - вредная примесь. Она ухудшает механические и литейные свойства чугунов: понижает жидкотекучесть, увеличивает усадку и повышает склонность к образованию трещин.

Фосфор в количестве до 0,3% растворяется в феррите. При большей концентрации он образует с железом и углеродом тройную «фосфидную» эвтектику. Она имеет низкую температуру плавления что увеличивает жидкотекучесть чугуна, но высокую твердость и хрупкость. Повышенное содержание фосфора допускается в отливках, от которых требуется повышенная износостойкость (до 0,7 Р), а также используемых для художественного литья (до . В нагруженных отливках содержание фосфора ограничивают 0,3%.

Таким образом, степень графитизации в чугуне возрастает с увеличением содержания углерода и кремния. Аналогичное, но более слабое влияние оказывают примеси (или легирующие элементы) меди и никеля. Элементами, затрудняющими графитизацию (отбеливающими), являются марганец, сера, хром. Основные элементы, которыми регулируют структуру металлической основы серого чугуна, - углерод и кремний.

Кроме химического состава, структура чугуна и его свойства зависят от технологических факторов, главным из которых является скорость охлаждения. С уменьшением скорости охлаждения увеличивается количество графита, с увеличением количество химически связанного углерода. При выборе скорости охлаждения принимают во внимание толщину стенки отливки. Чем больше толщина стенки, тем меньше скорость охлаждения и полнее протекает процесс графитизации.

В чугунах с высоким содержанием кремния при медленном охлаждении отливки первичная кристаллизация происходит в соответствии со стабильной диаграммой (см. рис. 3.19); в этом случае графит появляется непосредственно из жидкой фазы. С увеличением скорости охлаждения создаются условия для первичной кристаллизации в соответствии с метастабильной диаграммой (см. рис. 3.12); из жидкой

Рис. 9.1. Структурная диаграмма чугунов в зависимости от содержания кремния и углерода (а) и толщины стенки отливки (б): I — белый чугун; II — половинчатый чугун; III, IIIa, IIIб — серый перлитный, ферритно-перлитный ниферритный чугун соответственно

фазы выделяется цементит, а графит образуется вследствие его распада при дальнейшем охлаждении. Иногда ледебурит не разлагается и остается в структуре (получается отбел).

Вторичная кристаллизация преимущественно протекает в соответствии с метастабильной диаграммой, вторичный цементит и цементит перлита могут сохраниться или графитизироваться в зависимости от содержания кремния и. скорости охлаждения.

Наглядное представление о влиянии углерода и кремния на степень графитизации чугуна и его структуру дают структурные диаграммы (рис. 9.1). Структурная диаграмма на рис. 9.1, а справедлива для отливок с толщиной стенки 50 мм. Влияние толщины стенки и состава чугуна (суммарного содержания углерода и кремния) характеризует диаграмма, приведенная на рис. 9.1, б.

Поле диаграмм разбито на пять областей. Область I соответствует белому чугуну, имеющему структуру перлит вторичный цементит ледебурит. Весь углерод связан в виде цементита. В области II находится половинчатый чугун со структурой перлит цементит графит. Количество связанного углерода в нем более

Химический состав серых чугунов отвечает областям III, IIIа и IIIб. По структуре металлической основы серые чугуны разделяют на три вида.

1. Серый перлитный со структурой (рис. 9.2, а) перлит графит (область III). В этом чугуне количество связанного углерода составляет

2. Серый ферритно-перлитный со структурой (рис. 9.2, б) феррит перлит графит (область ). Количество связанного углерода в нем менее 0,8%.

3. Серый ферритный со структурой (рис. 9.2, е) феррит графит (область ). В этом чугуне весь углерод находится в виде графита.

Механические свойства серого чугуна зависят от свойств металлической основы и, главным образом, количества, формы и размеров графитных включений. Прочность, твердость и износостойкость чугунов растут с увеличением количества перлита в металлической основе, которая по строению аналогична сталям. Решающее влияние графита обусловлено тем, что его пластинки, прочность которых ничтожно мала, действуют как надрезы или трещины, пронизывающие металлическую основу и ослабляющие ее. При растяжении (наиболее жестком виде нагружения) по концам графитных включений легко формируются очаги разрушения. По этой причине серый чугун плохо сопротивляется растяжению, имеет низкие прочность и пластичность. Относительное удлинение при растяжении независимо от структуры основы не

Рис. 9.2. Микроструктуры серых чугунов: а - перлитного; — ферритно-перлитного; в — ферритного,

ТАБЛИЦА 9.1. (см. скан) Механические свойства некоторых марок чугунов

превышает 0,5%. Чем крупнее и прямолинейнее форма графитных включений, тем ниже сопротивление серого чугуна разрыву. И, наоборот, чем мельче и разобщеннее графитные включения, тем меньше их отрицательное влияние.

Значительно меньше влияние графита при изгибе и особенно при сжатии, т. е. «мягких» видах нагружения. Статическая прочность серого чугуна при изгибе примерно в 2 раза, а при сжатии в 4 раза выше прочности чугуна при растяжении. Прочность при сжатии и твердость чугуна определяются в основном структурой металлической основы. Они близки к свойствам стали с той же структурой и составом, что и металлическая основа чугуна.

Более высокая чувствительность чугунов к нормальным напряжениям, чем к касательным, сохраняется при циклических нагрузках. При этом сопротивление усталости у них, как и у сталей, растет с увеличением статической прочности. Предел выносливости при круговом изгибе Наибольшее его значение имеют чугуны с измельченными графитными включениями и перлитной основой.

Для серых чугунов характерно следующее соотношение пределов выносливости (при растяжении, изгибе и кручении) Наиболее высоко сопротивление усталости чугунов сжимающим напряжениям. При пульсирующем цикле сжатия оно в 5 6 раз выше, чем при пульсирующем цикле растяжения.

В соответствии с отмеченной особенностью чугун целесообразнее использовать для деталей, работающих на сжатие. Однако в реальных условиях эксплуатации может возникнуть сложное напряженное состояние. В этом случае работоспособность чугуна лимитируется долей растягивающих напряжений. В связи с этим показателем механических свойств серых чугунов, в соответствии с ГОСТ 1412-79, является прочность при статическом растяжении.

Марка серого чугуна состоит из букв (серый чугун) и цифры, показывающей значение временного сопротивления при растяжении в (табл. 9.1).

Ухудшая механические свойства, графит в то же время придает чугуну ряд ценных свойств. Он измельчает стружку при обработке резанием, оказывает смазывающее действие и, следовательно, повышает износостойкость чугуна, придает ему демпфирующую способность. Кроме того, пластинчатый графит обеспечивает малую чувствительность чугуна к дефектам поверхности. Благодаря этому сопротивление усталости деталей из чугуна соизмеримо со стальными деталями.

Номенклатура отливок из серого чугуна и их масса разнообразны: от

деталей в несколько граммов (например, поршневые кольца двигателей) до отливок в 100 т и более (станины станков). Выбор марки чугунов для конкретных условий работы определяется совокупностью технологических и механических свойств.

Ферритные серые чугуны предназначены для слабо- и средненагруженных деталей: крышки, фланцы, маховики, корпуса редукторов, подшипников, насосов, а также суппорты, тормозные барабаны, диски сцепления и пр.

Ферритно-перлитные серые чугуны применяют для деталей, работающих при повышенных статических и динамических нагрузках: блоки цилиндров, картеры двигателя, поршни цилиндров, барабаны сцепления, станины различных станков, зубчатые колеса и другие отливки.

Перлитные серые модифицированные чугуны обладают наиболее высокими механическими свойствами, главным образом, из-за мелких разобщенных графитных включений. Измельчение графитных включений в них достигается путем модифицирования жидкого чугуна ферросилицием или силикокальцием от массы шихты). Модифицированные чугуны используют для деталей, работающих при высоких нагрузках или в тяжелых условиях износа: зубчатые колеса, гильзы блоков цилиндров, шпиндели, распределительные валы и пр. Чугуны этих марок обладают наибольшей герметичностью. По этой причине их широко применяют также для корпусов насосов, компрессоров, арматуры тормозной пневматики и гидроприводов.

Для деталей, работающих при повышенных температурах, применяют легированные серые чугуны: жаростойкие (дополнительно содержат жаропрочные Применение находят также немагнитные, хромоникелевые чугуны с аустенитной структурой.

Из них изготовляют стойки для магнитов, крышки выключателей и пр.

Отливки из серого чугуна подвергают термической обработке. Используют низкий отжиг (~560°С) для снятия внутренних напряжений и стабилизации размеров, нормализацию или закалку с отпуском для повышения механических свойств и износостойкости. Для повышения износостойкости гильз цилиндров, распределительных валов и других деталей отдельных двигателей автомобилей перлитные чугуны подвергают азотированию.