Как вы хотите связаться с нами?

Серый чугун — свойства, состав и марки

серый чугун отливки

Серый чугун

Серый чугун называется так, благодаря включениям графита, которые дают характерный оттенок  на изломе. Он обладает хорошими литейными свойствами, которые обеспечивают широкое применение в машиностроении. Отливки из серого чугуна обладают высокой прочностью и износостойкостью.

Маркировка серого чугуна

Технические характеристики серого чугуна для изготовления отливок, в Украине регламентируется ГОСТ 1412-85 «Чугун с пластинчатым графитом для отливок. Марки».

Маркировка чугуна с пластинчатым графитом (серого чугуна) состоит из букв СЧ (первые буквы слов «серый чугун») и двух цифр, которые отображают предел прочности при растяжении σB (в кгс/мм2). Например, чугун с маркировкой СЧ35 означает —  это серый чугун с пластинчатым графитом, у которого с предел прочности на растяжение не ниже — 35 кгс/мм2.

Химический  состав серого чугуна

Оптимальное значение по содержанию углерода в сером чугуне составляет 2,4-3,7%. Если концентрация будет более низкой — углерод полностью растворится в железе, более высокая концентрация приведет к потере твердости и упругости.

Содержание кремния может варьироваться от 1,2 до 2,5%. Кремний является участником процесса графитизации, при этом повышается твердость металла и снижается его вязкость. Влияние этих элементов должно рассматриваться в совокупности, с учетом их суммарной концентрации.

Сера вступает в реакцию с железом и образовывет сульфид FeS, снижающий прочность и пластичность сплава. Содержание серы может быть не более 0,12-0,15%.

Для смягчения влияния серы используется марганец, который способствует образованию свободных карбидов железа. Количество добавляемого марганца зависит от содержания серы, и может составлять от 0,5 до 1.1%.

Доля фосфора не превышает 0,2-0,3%. Фософор образует включения фосфидной эвтектики, которая увеличивает твердость и износоустойчивость.

Также, в зависимости от марки чугуна, в его составе могут быть следующие элементы:

  • хром – увеличивает карбидообразование, при этом повышается твердость и прочность чугуна;
  • олово — способствует равномерному распределению твердости по разным сечениям;
  • никель и молибдена – повышают сопротивляемость коррозийным процессам и улучшают обрабатываемость;
  • медь — ускоряет графитизацию, увеличивает упругость и стойкость к коррозии, улучшает обрабатываемость;
  • сурьма – (содержание до 0,08%) влияет на процесс кристаллизации.

Как химические элементы влияют на свойства серого чугуна:

  1. Углерод (C) — приводит к понижению прочности, повышению пластичности, улучшению литейных свойств, а также в наибольшей степени способствует графитизации чугуна.
  1. Кремний (Si) — приводит к укрупнению включений графита, повышению механических свойств, улучшению литейных свойств, способствует графитизации. Если содержание кремния больше 3% снижает пластичность.
  1. Марганец (Mn) — удаляет серу и раскисляет чугун; приводит к торможению процесса графитизации, повышению склонности к отбелу, дисперсности перлита, механических свойств (содержание марганца 0,7-1,3%, дальнейшее увеличение доли имеет обратное действие), увеличивает усадку.
  1. Сера (S) — является вредной примесью. Сера образует с железом легкоплавкую эвтектику (температура плавления 985°C). При размещении на границах кристаллов, она снижает механические свойства чугуна, его жидкотекучесть, повышает усадку, придает чугуну «красноломкость» (образование трещин при высоких температурах).
  1. Фосфор (P) — является вредной примесью, способствует повышению жидкотекучести и хрупкости (содержание фосфора в машиностроительных отливках не должно превышать 0,2%).
  1. Никель (Ni) — является легирующим элементом, выравнивающим механические свойства отливок со стенками разной толщины, приводит к повышению твердости, коррозионной стойкости и обрабатываемости резанием.
  1. Медь (Cu) — способствует графитизации, увеличению жидкотекучести, повышению прочности и твердости.
  1. Хром (Cr)  — тормозит процесс графитизации, приводит к измельчению графита, повышению дисперсности перлита, прочности, твердости, понижению пластичности и литейных свойств.
  1. Титан (Ti)  — способствует графитизации (при содержании до 0,05%), при большем содержании тормозит этот процесс, повышает механические свойства.
  1. Магний (Mg) — способствует графитизации (при содержании до 0,01%), при большем содержании увеличивает отбел, является сильным десульфуратором.
  1. Молибден (Mo) — является легирующим элементом, который замедляет графитизацию, способствует карбидообразованию, повышению твердости (без ухудшения обрабатываемости) и сопротивлению износу.

Рекомендуемый химический состав серого чугуна для отливок согласно ГОСТ 1412-85, приведен в табл. 1.

Таблица 1: Химический состав серого чугуна по ГОСТ 1412-85

Марка Массовая доля элементов, %
Основные компоненты Примеси, не более
C Si Mn P S
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

 

Классификация серого чугуна в зависимости от структуры

Состав и структура серого чугуна напрямую влияет на его свойства, а также применение конкретной марки чугуна. Скорость охлаждения после затвердевания является одним из важных факторов, которые влияют на формирование металлической основы.

Перлитная основа. Если отливка охлаждается быстро, перлитная структура составит  большую долю, которая состоит из феррита и карбида, а также тонких пластинок графита. Чугун на перлитной основе имеет высокую твердость и прочность.

Ферритно-перлитная. При медленном охлаждении в структуре серого чугуна увеличивается доля феррита – сплава железа с оксидами Fe2O3 и других металлов. Такая основа, которая состоит из феррита, перлита и пластинчатого графита, имеет более высокую пластичность.

Ферритная основа образуется при быстром охлаждении. Она состоит из вязкого феррита и свободного углерода в виде пластинок графита. Присутствие пластинок графита приводит к ухудшению механических свойств чугуна, снижает его прочность и сопротивляемость растяжению. В то же время графит:

  • повышает износостойкость;
  • улучшает обрабатываемость;
  • снижает усадку в процессе литья;
  • гасит вибрацию деталей.

Таблица 2: Физические свойства чугуна с пластинчатым графитом

Наименование параметра Величина параметра для марки
СЧ10 СЧ15 СЧ20 СЧ25 СЧ30 СЧ35
Плотность ρ, кг/м3 6,8·103 7,0·103 7,1·103 7,2·103 7,3·103 7,4·103
Линейная усадка ε, % 1,0 1,1 1,2 1,2 1,3 1,3
Модуль упругости при растяжении, Е·10-2 МПа 700-1100 700-1100 850-1100 900-1100 1200-1450 1300-1450
Удельная теплоемкость при температуре от 20 до 200°С, С, Дж (кг·К) 460 460 480 500 525 545
Коэф. линейного расширения при температуре от 20 до 200°С, α 1/°С 8,0·10-6 9,0·10-6 9,5·10-6 10,0·10-6 10,5·10-6 11,0·10-6
Теплопроводность при 20°С, λ, Вт(м·К) 60 59 54 50 46 42

Серый чугун и его механические свойства

Серый чугун обладает такими основными характеристиками, которые обеспечивают его применение в литейном производстве:

  • небольшая температура отвердевания;
  • высокая жидкотекучесть;
  • отсутствие склонности к образованию раковин;
  • малая объемная усадка.

При этом для конечного пользователя отливок из серого чугуна большое значение имеют следующие показатели:

  • прочность серого чугуна;
  • износостойкость при трении;
  • герметичность, то есть устойчивость к образованию трещин и пор.

Эти показатели зависят от структуры и твердости серого чугуна. Чем меньше размеры графитовых пластинок, тем выше эти показатели. Детали, подвергающиеся постоянным ударно-абразивным нагрузкам, должны обладать особенно высокой твердостью. Герметичность важна в таких изделиях, как трубопроводы, насосы и компрессоры, гидравлические приводы, которые эксплуатируются в условиях большого давления жидкостей или газов. При этом степень герметичности зависит от параметров текучести, изменения давления и наличия транзитной микропористости.

Наибольшей прочностью обладает перлитный серый чугун. Это позволяет применять его в производстве деталей машин, которые подвергаются высокой нагрузке.

Серый чугун склонен к растрескиванию при сварке, а некоторые сорта вообще не поддаются сварке.

Таблица 3: Механические свойства серого чугуна по ГОСТ 1412-85

Марка Марка чугуна по СТ СЭВ 4560-84 Временное сопротивление при растяжении σВ, МПа, (кгс/мм2), не менее
СЧ10 31110 100 (10)
СЧ15 31115 150 (15)
СЧ18 180 (18)
СЧ20 31120 200 (20)
СЧ21 210 (21)
СЧ24 240 (24)
СЧ25 31125 250 (25)
СЧ30 31130 300 (30)
СЧ35 31135 350 (35)

Структура чугуна зависит от толщины стенок чугунных отливок. В зависимости от толщины стенки отливки, чугун кристаллизуется и охлаждается с различной скоростью (чем толще стенка отливки, тем ниже скорость охлаждения и тем больше выделяется графита в структуре чугуна и тем ниже прочностные характеристики материала отливки). Зависимость прочностных характеристик чугуна от толщины стенок отливок приведена в табл. 4.

Таблица 4: Ориентировочные данные о временном сопротивлении при растяжении и твердости в стенках отливок различного сечения по ГОСТ 1412-85

Марка чугуна Толщина стенки отливки, мм
4 8 15 30 50 80 150
Временное сопротивление при растяжении, МПа, не менее
СЧ10 140 120 100 80 75 70 65
СЧ15 220 180 150 110 105 90 80
СЧ20 270 220 200 160 140 130 120
СЧ25 310 270 250 210 180 165 150
СЧ30 330 300 260 220 195 180
СЧ35 380 350 310 260 225 205
Твердость НВ, не более
СЧ10 205 200 190 185 156 149 120
СЧ15 241 224 210 201 163 156 130
СЧ20 255 240 230 216 170 163 143
СЧ25 260 255 245 238 187 170 156
СЧ30 270 260 250 197 187 163
СЧ35 290 275 270 229 201 179