Серый чугун, свойства и область применения.

СЧ имеет пластинчатую форму графита. 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 чугуна, а значит, и его свойств, это графитизация, от которой зависят не только количество и характер графита, но в значительной степени и структура матрицы. Сравнительная интенсивность влияния элементов на графитизацию характеризуется следующим их расположением: + Si, A1, С, Ti, Ni, Си, Р, Zr, Nb, W, Mn, Сг, V, S, Mg, Се, Те, В—. Элементы, расположенные в этом ряду слева от Nb, являются графитизирующими, а справа — антиграфитизирующими. 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, как это видно из следующих уравнений для углеродного эквивалента Сэ и эвтектичности Sэ(%): Сэ = С + 0,3(Si + Р); Sэ = C/[4.26-0.3(Si + P)] Приведенные уравнения характеризуют чугун как доэвтектический (Сэ < 4,26, S3 <1), эвтектический (Сэ = 4,26, S3 = 1) и заэвтектический (Сэ > 4 26, S3 > 1), что во многих случаях определяет важные свойства чугуна и еще раз подтверждает значения С и Si. Поэтому структурные диаграммы чаще всего строятся по этим элементам. Остальные элементы тоже влияют на структурообразование и, следовательно, на структурную диаграмму, перемещая границы областей влево при графитизирующем эффекте элементов и вправо при антиграфитизирующем. Но при их сравнительно малых концентрациях это влияние незначительно, и поэтому практически можно пользоваться приведенными диаграммами. Для ответственных отливок наилучшей структурой является чаще всего перлитная, сорбитная или трооститная матрица и мелкий равномерно распределенный пластинчатый графит. Механические свойства серого чугуна. Наилучшим контролем является испытание на растяжение, производимое на образцах диаметром 10 мм и длиной, равной пяти диаметрам, которые вытачивают из цилиндрических заготовок диаметром 30 мм, причем, для чугуна марок СЧ 32-52 и выше (а также более низких марок при толщине 5>50 мм) допускается вырезка образцов из специальных приливов, что должно быть предусмотрено ТУ. Для отливок толщиной ^50, мм допускается также применение заготовок диаметром 50 мм. Испытание на изгиб производят на образцах диаметром 30 мм, при расстоянии между опорами 300 или 600 мм (ГОСТ 2055—43). Образцы для испытания на растяжение вытачивают из брусков, использованных для испытания на изгиб. Большим преимуществом серого чугуна, кроме высокого значения ф, является его малая чувствительность к надрезам, что характеризует его высокие качества как конструкционного материала.

Физические свойства серого чугуна. Тепловые свойства серого чугуна — коэффициент линейного расширения (а), теплоемкость (с) и теплопроводность (Л) — также зависят от состава и структуры чугуна, но главным влияющим фактором является температура, с повышением которой с и а увеличиваются, а л понижается На с и а влияет, главным образом, состав чугуна, а на л, — степень графитизации, дисперсность структуры, неметаллические включения и т. п.хотя и в этом случае нельзя не учитывать роли состава. Элементы, увеличивающие степень графитизации и размер графита, повышают, а элементы, препятствующие графитизации и увеличивающие дисперсность П,— понижают л. Следуег подчеркнуть, что сама по себе теплопроводность жидкого чугуна значительно меньше, чем твердого, но благодаря конвекции она резко увеличивается и превышает теплопроводность твердого чугуна. Теплота плавления серого чугуна возрастает по мере увеличения количества графита и равна 58—78 кал/г (240—325 Дж/г). Химические свойства (сопротивление коррозии и жаростойкость) зависят как от состава и структуры чугуна, так и от внешних факторов — состава и температуры среды. По ГОСТ 2176—57 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, а также при уменьшении содержания Si, S и Р. Для повышения стойкости целесообразно применять модифицированный СЧ, а также легированный Сu (до 1,4%), Ni (до 3%), Сr (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% Сr или 0,35—0,5% Ni и 0,4—0,6% Сг. Однако при воздействии на металл сильных реагентов следует применять высоколегированные чугуны. Жаростойкость характеризует работоспособноегь чугуна при повышенных и высоких температурах в условиях действия малых нагрузок, когда главной причиной разрушения отливок является образование окалины или трещин. В первом случае имеет место необратимое увеличение размеров отливок, которое принято называть ростом. По ГОСТ 7769—63 жаростойкость оценивается по окалиностойкости, ростоустойчивости и по термостойкости. Технологические свойства серого чугуна (свариваемость и обрабатываемость) также определяются его составом и структурой. Свариваемость серого чугуна значительно хуже, чем углеродистой стали, так как 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. Обрабатываемость серого чугуна связана 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 (Vэк) определяющей допустимую скорость обработки при обеспечении определенной стойкости резца. Скорость Vэк зависит от режима обработки и твердости чугуна, причем с повышением твердости она, естественно, уменьшается (условно принято, что Vэк=1 при НВ 140) 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 в г/(м2-ч) или мм/ч, мм/год и т. п Различают износ при трении со смазкой, при сухом трении, абразивный и эрозионно-кавитацнонный. Износостойкость СЧ, как и других металлов, определяется условиями трения, но большое значение имеет также состав чугуна и особенно его структура, которая должна удовлетворять правилу Шарли. Поэтому, в зависимости от условий трения применяют разные чугуны. Так, в условиях трения со смазкой применяются антифрикционные чугуны. При отсутствии смазки износ серого чугуна тем меньше, чем больше НВ, но с увеличением давления износ возрастает. Критическое давление Ркр, при котором происходит задирание на рабочей поверхности, возрастает с повышением марки чугуна. Так, для СЧ 32-52 Ркр = 25 кгс/см2 (25-105 Па), для СЧ 36-56 Ркр = 30 кгс/см2 (30-106 Па), в то время как для ВЧШГ Ркр = 35 кгс/см2 (35-105 Па) Коэффициент трения при отсутствии смазки, по данным НИИЖТ, зависит от давления и скорости движения. В условиях абразивного износа серый чугун имеет сравнительно низкую стойкость. В этом случае применяются легированные чугуны, обладающие высокими НВ и прочностью. Герметичность, как способность противостоять фильтрации жидкости или газа под тем или иным давлением через стенки отливок, является очень важным эксплуатационным свойством серого чугуна, зависящим как от графитной, так и от усадочной пористости и, следовательно, от состояния и свойств рабочей среды, с одной стороны, и состава, структуры и плотности отливок — с другой. Важнейшей структурной составляющей при этом является графит, увеличение содержания и размеров которого приводит к увеличению графитной пористости. Усадочная же пористость существенно зависит от условий питания, которые улучшаются по мере увеличения градиента затвердевания отливок и металлостатического давления, причем чем ниже эвтектичность СЧ, тем большее значение приобретают условия питания. Литейные свойства серого чугуна значительно лучше, чем других сплавов. 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. Поэтому чем ниже марка СЧ и выше содержание Р, тем больше жидкотекучесть. Влияние других элементов определяется, главным образом, изменением вязкости металла, при одновременном высоком содержании Мn и S образуются сульфиды MnS, которые, как и нерастворившийся графит и другие тугоплавкие неметаллические включения в металле, понижают жидкотекучесть. Устранение этих включений подбором шихты и соответствующей обработкой жидкого металла (десульфурацпей, дегазацией, перегревом) заметно повышает жидкотекучесть. 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 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 и выше температура, а объемная усадка при затвердевании тем больше, чем меньше Сэ.