Особенности получения отливок из серого чугуна

Технологические особенности получения чугунов

Серый чугун является самым растпространенным материалом для чугунных отливок. На него приходится свыше 60 % всего чугунного литья (Табл. 3.9.1). Основными потребителями отливок из серого чугуна яв­ляются различные отрасли машиностроения (автомобильное, тракторное и сельскохозяйственное машиностроение, тяжелое машиностроение, станкостроение и др.).

Таблица 3.9.1. Структура чугунного литья

Единица измерения	Всего чугуна	В том числе
Серый чугун	Высокопрочный чугун	Ковкий чугун	Специальные чугуны
В тыс. тонн	5280 т
В %		62,9	17.1	4.9	15,1

Структура. Отличительной особенностью серых чугунов является наличие в структуре графитных включений пластинчатой формы, при этом металлическая матрица могут быть ферритными, перлитными или феррито-перлитными (Рис. 3.9.1).

а) б) в)

Рис. 3.9.1. Типичные структуры серых чугунов

Металлическая матрица: а) с преимущественно ферритная (90-98 % Ф);

б) феррито-перлитная и в) преимущественно перлитная (94-98 % П).

Наличие пластинчатого графита в структуре серого чугуна снижает его прочностные свойства, но резко уменьшает его чувствительность к надрезу и хорошо гасит вибрацию. Этим серый чугун выгодно отличается от других типов чугунов и стали.

Механические свойства серых чугунов варьируется в широких пределах: от менее 100 до более 300 МПа. По уровню прочности их классифицируют на 7 марок (Табл. 3.9.2).

Таблица 3.9.2. Марки и механические свойства серого чугуна (ГОСТ 1412-85)

Обозначение марки чугуна	σв, МПа	σизг., МПа	Стрела прогиба, мм, при расстоянии между опорами, мм	σсж, МПа	τср, МПа
СЧ00	Не определяется	-	-	-	-	-
СЧ10	100-150	280-300	7,0	3,0
СЧ15	150-200	360-460	8,0	3,0
СЧ20	200-250	440-530	9,0	3,0
СЧ25	250-300	490-580	9,0	3,5
СЧ30	300-350	560-650	11,0	4,0
СЧ35	350-400	630-700	12,0	4,5

Сдаточными характеристиками серого чугуна являются: предел прочности при растяжение (σ_в) или при изгибе (σ_изг.) и стрела прогиба (f), а пределы прочности при сжатии σ_сж и при срезе τ_ср – имеют справочный статус_- Пределы прочности при изгибе и сжатии примерно в 2-4 раза выше, чем при растяжении. По этой причине для деталей, работающих в условиях воздействия преимущественно сжимающих и изгибающих напряжений, серый чугун является прекрасным технологичным и дешевым конструкционным материалом.

Данные табл. 3.9.2 характеризуют свойства серого чугуна в цилиндрических отливках диаметром 30 мм. Вместе с тем, структура и соответственно свойства серого чугуна существенно зависят от скорости охлаждения. Поэтому отливки из серого чугуна одного и того же состава, но разной толщины будут иметь неодинаковые свойства. В табл. 3.9.3 и 3.9.4 приведены значения временного сопротивления при растяжении и твердости в отливках с различной толщиной стенок.

Таблица 3.9.3. Ориентировочные данные о временном сопротивлении при растяжении серого чугуна в стенках различного сечения (справочное приложение №1, ГОСТ 1412-85)

Марка чугуна	Временное сопротивление разрыву при растяжении, МПа (не менее) при толщине стенки отливки, мм
СЧ10
СЧ15
СЧ20
СЧ25
СЧ30	-
СЧ35	-

Таблица 3.9.4. Ориентировочные данные о твердости в стенках различного сечения

(справочное приложение №1, ГОСТ 1412-85)

Марка чугуна	Твердость, НВ (не более) при толщине стенки отливки, мм
СЧ10
СЧ15
СЧ20
СЧ25

Между некоторыми параметрами механических свойств чугуна (σ_в и НВ) и степенью его эытектичности (S_э) установлены аналитические зависимости:

σ_в = 726,5 - 506 ∙ S_э ± 27,9 или σ_в = 1020 - 825 S_э; (3.9.1)

НВ = 387,5 - 189,69 ∙ S_э ± 15,7 или НВ = 583 – 355 ∙ S_э. (3.9.2)

Выражения (3.9.1) и (3.9.2) дают оценку максимального уровня достижимых показателей свойств. Для оценки фактического уровня качества чугуна используют такие понятия как относительные прочность (ОП) и твердость (ОТ), а также показатель качества (ПК):

ОП = σ_{в, ф} / (1020 - 825 S_э); (3.9.3)

ОТ = НВ_ф / (583 – 355 ∙ S_э); (3.9.4)

ПК = ОП / ОТ. (3.9.5)

Чугун как конструкционный материал должен иметь высокие прочностные свойства. Но с точки зрения технологичности (механической обработки) он должен иметь низкую твердость. Поэтому, чем больше ОП и меньше ОТ, тем выше ПК и соответственно качество чугуна.

Чугуны низких марок имеют ферритную или преимущественно ферритную металлическую матрицу, а чугуны высоких марок – перлитную или преимущественно перлитную металлическую матрицу. По мере повышения марки чугуна доля ферритной составляющей в структуре сокращается, соответственно, количество перлита увеличивается. При этом размер графитных включений уменьшается, а распределение их улучшается. Относительное количество феррита и перлита регулируют изменением химического состава чугуна, прежде всего содержания углерода и кремния (Табл. 3.9.5).

Таблица 3.9.5. Рекомендуемый химический состав для отливок из серого чугуна

Марка чугуна	Основные компоненты, % масс. доли	Примеси, % масс. Доли (не более)
Углерод	Кремний	Марганец	Фосфор	Сера
СЧ10	3,5 – 3,7	2,2 – 2,6	0,5 – 0,8	0,3	0,15
СЧ15	3,5 – 3,7	2,0 – 2,4	0,5 – 0,8	0,2	0,15
СЧ20	3,3 – 3,5	1,4 – 2,4	0,7 – 1,0	0,2	0,15
СЧ25	3,2 – 3,4	1,4 – 2,2	0,7 – 1,0	0,2	0,15
СЧ30	3,0 – 3,2	1,3 – 1,9	0,7 – 1,0	0,2	0,12
СЧ35	2,9 – 3,0	1,2 – 1,5	0,7 – 1,1	0,2	0,12

Но на структуру чугуна и его механические свойства сильное влияние оказывают также компонентный состав шихты и тип плавильного агрегата. При прочих равных условиях, с увеличением в составе шихты количества стольного лома, прочностные показатель возрастают (Рис. 3.9.2). При этом применение электроплавки обеспечивает более высокий уровень свойств.

Доля стального лома в шихте, %

Рис. 3.9.2. Влияние количества стального лома в шихте и варианта плавки на прочность серого чугуна: 1 – плавка в вагранке; 2 – плавка дуплекс-процессом; 3 - плавка в электропечи.

При получении высоких марок чугуна требуется дополнительное легирование чугуна малыми количествами перлитизируюших элементов (Mn, Ni, Cr и др.), которые оказывают на чугун упрочняющее воздействие (Рис. 3.9.3).

Рис. 3.9.3. Относительное влияние легирующих элементов на прочность серого чугуна

Как видно, V, Mo, и Cr оказывают более сильноевлияние на прочность чугуна, чем Mn, Ni и Cu. Наиболее эффективно одновременное легирование такими элементами, которые влияют на графитизацию в противоположных направлениях, например, Cr и Ni. Комплексное легирование этими элементами рекомендуется в соотношениях 1:3 и 3:1 соответственно для тонкостенных и толстостенных отливок.

Количество, размер и распределение графитных включений регулируют за счет графитизирующего модифицирования.

В зависимости от области применения отливок из серого чугуна их работоспособность и эксплуатационнпая надежность определяется не только механическими свойствами, но также теплофизическими и служебными свойствами.

Физические и теплофизические свойства серого чугуна ( плотность d, удельная теплоемкость С, теплопроводность λ, электропроводность s, коэффициент линейного расширения α) приведены в табл. 3.9.6.

Таблица 3.9.6. Физические и теплофизические свойства чугуна с пластинчатым графитом

Марки чугуна	d·10 ^–3, кг/м^3	С, Дж/К при 293-473 К	α·10^-6,Дж/К при 293-472 К	λ, Вт/(м·К) при 293 К
СЧ10	6,8		8,0
СЧ15	7,0		9,0
СЧ20	7,1		9,5
СЧ25	7,2		9,5
СЧ30	7,3		9,5
СЧ35	7,4		11,0

Рассматриваемые свойства чугуна определяются его структурой, наличием и количеством тех или иных фаз и структурных составляющих, поскольку они имеют разные индивидуальные показатели свойств (Табл. 3.9.7).

Таблица 3.9.7 Плотность структурных составляющих и фаз чугуна при 20 ^оС

Структурные составляющие и фазы	Плотность, кг/м^3	Электросопротивление× 10^8, Ом×м
Феррит	7860 – 7870
Аустенит	7680 – 7840	-
Цементит	7660 – 7670
Графит	2200 – 2250
Перлит	7,78

Служебные свойства серого чугуна включают фрикционные свойства, износостойкость, коррозионную стойкость, жаростойкость и др.

Фрикционные свойства. Серый чугун является хорошим фрикционным материалом при сухом трении в паре с фрикционными пластмассами. В широком диапазоне скоростей скольжения при нагреве поверхностей трения серый чугун обеспечивает достаточно высокий (0,2…0,4) и стабильный коэффициент трения, хорошее торможение. Поэтому он применяется для тормозных барабанов и дисков автомобилей, самолетов, для дисков фрикционов.

При трении со смазкой в паре со сталью, чугуном, другими материалами серый чугун является антифрикционным материалом (коэффициент трения ~0,01…0,016).

Износостойкость. Изнашивание деталей машин при трении зависит от двух основных факторов: условий трения (скорости скольжения, нагрузки, среды) и материала трущихся пар. Эти факторы определяют физико-химические процессы взаимодействия и разрушения микровыступов трущихся поверхностей, интенсивность их износа.

При трении серого чугуна в паре с любым другим материалом проявляются его специфические антифрикционные свойства, связанные с наличием в структуре пластинчатого графита. Графит при трении частично выкрашивается и играет роль твердой смазки. Поэтому даже при сухом трении пара работает без интенсивного износа при достаточно высоких скоростях и нагрузках.

При трении со смазкой графитные включения впитывают смазку, которая удерживается в полостях от выкрошившегося графита.

Серый чугун не является износостойким материалом при трении в абразивной среде. Однако при умеренном загрязнении смазки абразивными частицами (условия, характерные для цилиндров двигателей и компрессоров, направляющих станков) его износостойкость достаточно высокая.

Включения фосфидной эвтектики, более твердые, чем перлит, заметно повышают износостойкость и антизадирные свойства чугуна. Это влияние проявляется при содержании фосфора более 0,25 мас. %. Максимальная износостойкость серого чугуна достигается, если фосфористый чугун содержит хром (Cr/P ³ 1,5) или ванадий (V/P ³ 0,8), которые ликвируют в фосфидную эвтектику и повышают ее микротвердость.

Термическая обработка чугуна (закалка) также существенно повышает износостойкость серого чугуна, так как при этом твердость чугуна может повыситься до 42 HRC и более.

Коррозионная стойкость. Серый нелегированный чугун не является коррозионностойким материалом, поскольку имеет многофазное строение. Но при легировании малыми количествами хрома, никеля, меди, олова и сурьмы он становится относительно стойким в слабо агрессивных средах.

Жаростойкость. Жаростойкость серого чугуна невысока ввиду пластинчатой формы графита, поскольку окисление чугуна идет по границам графитных включений. Легирование его хромом и медью (до 1,0 мас. %) препятствует графитизации эвтектоидного цементита и снижает рост чугуна при нагреве. Модифицирование серого чугуна, измельчая графит, повышает стойкость к окислению и ростоустойчивость.

Область применения серого чугуна очень широка как по номенклатуре изделий, так и по отраслям промышленности. Так, масса литых деталей из серого чугуна в конструкции автомобилей и тракторов составляет 15-20 % от их общей массы. Основная номенклатура – это ответственные детали: блоки, головки, гильзы цилиндров, крышки коренных подшипников, тормозные барабаны, распределительные и коленчатые валы и др.

В станкостроении серый чугун применяют для широкой номенклатуры литых деталей от 0,1 кг до 100 т, толщинами стенок от 4 до 200 мм, работающих в самых разнообразных условиях.

Дата добавления: 2014-01-07