Глава 7.3.2. Серый чугун
Серый чугун получил название по виду излома, имеющего серый цвет. Серые чугуны получают непосредственно литьем. Это доэвтекттеские чугуны, содержащие 2,4...3,8 % углерода, 1 ...4% кремния (графитизатор), 1,25... 1,4% марганца (повышает прочность).
Структура металлической основы определяется химическим составом чугуна и скоростью охлаждения отливки. Увеличение в чугуне содержания кремния и углерода способствует более полной графитизации. Аналогично влияние замедленного охлаждения. Графитизации — процесс диффузионный, поэтому он развивается полнее, если отливка дольше находится при высоких температурах, т.е. медленнее охлаждается. На рис. 7.1 приведены структурные диаграммы чугунов, определяющие структуру металлической матрицы в зависимости от химического состава чугуна (рис. 7.1, а) и от совместного влияния химического состава и толщины отливки (рис. 7.1, б).
Таблица 7.1. Структура металлической основы и формы графитовых включений
Рис. 7.1. Структурные диаграммы чугунов:
а — влияние углерода и кремния на структуру металлической основы; б — влияние скорости охлаждения (толщины стенки отливки) и суммарной концентрации углерода и кремния на структуру чугуна; I — белые чугуны; II — половинчатые (отбеленные) чугуны; III — серые перлитные чугуны; IV — серые ферритно-перлитные чугуны; V — серые ферритные чугуны
При малом содержании графитизаторов или большой скорости охлаждения графитизации не происходит, при таких условиях получается белый чугун (зона I).
При малой степени графитизации в структуре наряду с графитом присутствует перлит, а также сохраняется ледебурит. Такой чугун называется половинчатым (зона II).
Большая степень графитизации за счет увеличения в составе чугуна графитизаторов и (или) уменьшения скорости охлаждения в более толстых отливках последовательно приводит к получению следующих структур металлической основы: перлитной (зона III), ферритно-перлитной (зона IV) и, наконец, ферритной (зона V).
Наименьшей прочностью обладают серые чугуны. Пластинки графита в сером чугуне можно рассматривать как трещины, нарушающие целостность металла и, кроме того, являющиеся концентраторами напряжений. Пластинки уменьшают прочность чугуна при растяжении. Чем крупнее пластинки графита и менее равномерно они распределены по объему, тем ниже прочность чугуна. Минимальной прочностью обладает серый чугун на ферритной основе.
Разновидностью серых чугунов с пластинчатой формой графита можно считать чугуны с вермикулярной формой графита, в которых пластинки графита имеют меньший размер и более равномерно распределены в матрице. Чугуны с вермикулярной формой графита все чаще применяют вместо серых чугунов.
Вместе с тем включения графита не оказывают практического влияния на прочность при сжатии, потому что при таком нагружении трещины закрываются. Предел прочности при сжатии в 3—5 раз больше, чем при растяжении (примерно такой же, как у низкоуглеродистой стали, например СтЗ). Повышения прочности серых чугунов можно достигнуть модифицированием (например, 75%-ным ферросилицием в количестве 0,3...0,8 %) и легированием (хромом, никелем, алюминием). Свободный графит заметно снижает модуль упругости.
Вместе с тем наличие в структуре свободного графита определяет ряд преимуществ чугуна перед сталью:
- лучшую обрабатываемость резанием, что обеспечивает хорошее стружкоотделение — стружка при обработке чугуна сыпучая, а не сливная, как у стали;
- более высокие антифрикционные свойства благодаря смазывающему действию графита;
- наличие демпфирующих свойств, так как графитовые включения гасят вибрации;
- практически полное отсутствие чувствительности к поверхностным дефектам (надрезам и т.п.).
Серые чугуны обозначаются буквами СЧ (серый чугун) и цифрами, которые указывают предел прочности при растяжении в кгс/мм2 (1 кгс/мм2 = 10 МПа). Например, СЧ20 — серый чугун с пределом прочности при растяжении 20 кгс/мм2 (200 МПа).
Серые чугуны применяют для изготовления отливок станин, поршней цилиндров, зубчатых колес и др. Обладающие меньшей прочностью ферритные (СЧ10, СЧ15) и ферритно-перлитные (СЧ20, СЧ25) чугуны используют для менее нагруженных деталей; перлитные (СЧЗО, СЧ35) — для более нагруженных.
Обладающий хорошей жидкотекучестью серый чугун с повышенным содержанием фосфора (до 1,6 %) используют при производстве художественного литья.
В промышленности находят применение чугуны с особыми свойствами, в частности антифрикционными, которые обозначаются буквами АЧ.