Что такое серый чугун? Состав, свойства и применение

Что такое серый чугун?

Серый чугун представляет собой сплав железа, содержащий От 2,5 до 4,0 процентов углерода и от 1,0 до 3,0 процентов кремния. по весу, в котором большая часть углерода присутствует в виде графитовых чешуек, распределенных по всей железной матрице. Когда исследуют поверхность излома, эти графитовые хлопья придают металлу характерный серый цвет, отсюда и название. Это наиболее широко производимая форма чугуна в мире, на которую приходится примерно от 70 до 75 процентов всего производства чугуна в мире. .

Короткий ответ на вопрос «что такое серый чугун» таков: это недорогой конструкционный материал, легко поддающийся литью, с отличным гашением вибраций, хорошей прочностью на сжатие, превосходной обрабатываемостью и присущей ему хрупкостью. Это материал, который выбирают там, где демпфирование, износостойкость и сложная геометрия имеют большее значение, чем прочность на разрыв или ударная вязкость. — который охватывает огромный спектр промышленных, автомобильных и инфраструктурных приложений.

Серый чугун производился непрерывно, по крайней мере, с V века до нашей эры в Китае и составлял основу промышленного производства на протяжении 18 и 19 веков. Несмотря на конкуренцию со стороны ковкого чугуна, стали и алюминия, он остается незаменимым в тех случаях, когда его специфическое сочетание свойств не может быть экономически сопоставимо с каким-либо другим материалом.

Микроструктура, определяющая серый чугун

Определяющей особенностью серого чугуна является его микроструктура: графитовые чешуйки, заключенные в металлическую матрицу из феррита, перлита или их комбинации. . Понимание этой микроструктуры объясняет практически все механические и физические свойства материала.

Графитовые хлопья: источник как сильных, так и слабых сторон

В сером чугуне избыток углерода, который не растворяется в матрице железа, при затвердевании выделяется в виде графита. Высокое содержание кремния (от 1,0 до 3,0 процентов) способствует этой графитизации, подавляя образование карбида железа (цементита), который в противном случае привел бы к образованию белого чугуна — твердого, хрупкого, практически не поддающегося механической обработке материала.

Чешуйки графита действуют как внутренняя сеть концентраторов напряжений. При растягивающей нагрузке трещины возникают на острых кончиках чешуек и быстро распространяются по матрице, придавая серому чугуну характерную низкую прочность на разрыв и почти нулевое удлинение. Однако эти же чешуйки обладают важными преимуществами: они прерывают распространение трещин при циклической вибрации (демпфирование), обеспечивают эффект самосмазывания, который снижает износ, и делают материал исключительно простым в обработке, поскольку чешуйки действуют как стружколом.

Типы графитовых чешуек: Классификация ASTM A247.

ASTM A247 классифицирует морфологию графитовых чешуек на пять типов, которые напрямую влияют на механические свойства:

• Тип А (равномерное распределение, случайная ориентация): Самый желательный тип чешуек. Производится умеренными скоростями охлаждения с хорошо инокулированным железом. Обеспечивает наилучшее сочетание прочности, обрабатываемости и демпфирования.
• Тип B (розеточные группы): Производится умеренно быстрым охлаждением. Несколько снижены механические свойства по сравнению с типом А. Часто встречается в тонкосекционных отливках.
• Тип С (наложенные размеры чешуек, графит киш): Связан с заэвтектическими составами. Крупные хлопья первичного графита значительно снижают прочность и указывают на проблемы с составом или недостаточную модификацию.
• Тип D (междендритный, переохлажденный): Мелкие, хаотично ориентированные хлопья, полученные в результате быстрого охлаждения или недостаточной инокуляции. Более высокая твердость, но пониженная обрабатываемость; часто встречается в тонких срезах или вблизи поверхности отливки.
• Тип E (междендритный, предпочтительная ориентация): Встречается в сильно доэвтектических чугунах при быстром охлаждении. Создает направленность механических свойств и снижает обрабатываемость.

Матрица: ферритная, перлитная или смешанная.

Железная матрица, окружающая чешуйки графита, определяет прочность и твердость серого чугуна. А полностью перлитная матрица обеспечивает высочайшую прочность на разрыв и твердость (обычно от 200 до 300 HB), поскольку перлит — чередующиеся слои феррита и цементита — по своей природе прочнее, чем один феррит. А полностью ферритная матрица получается более мягкий, легко поддающийся механической обработке чугун с меньшей прочностью. Большинство коммерческих марок серого чугуна имеют смешанную ферритно-перлитную матрицу, при этом доля перлита контролируется составом сплава и скоростью охлаждения.

Химический состав серого чугуна

Свойства серого чугуна напрямую зависят от его химического состава. В составе доминируют пять элементов, каждый из которых играет определенную металлургическую роль:

Углеродный эквивалент (CE) — это широко используемый однозначный индекс, который прогнозирует поведение серого чугуна: CE = %C (%Si %P) / 3 . CE 4,3 является эвтектическим; значения ниже 4,3 являются доэвтектическими (более прочные, тверже, лучше для конструкционных марок), а значения выше 4,3 являются заэвтектическими (более текучие, лучше для сложных отливок, но более низкая прочность).

Механические свойства серого чугуна

Серый чугун имеет характерный и крайне асимметричный профиль свойств. Его сильными сторонами являются именно те свойства, которые наиболее необходимы в тяжелых, подверженных вибрации и интенсивному износу применениях; его недостатки — хрупкость и низкая прочность на разрыв — просто определяют границы надлежащего использования.

• Предел прочности: От 100 до 400 МПа в зависимости от марки. Это самый слабый механический параметр серого чугуна — значительно ниже ковкого чугуна и стали. Серый чугун никогда не следует использовать в качестве основных конструкций, несущих напряжение.
• Прочность на сжатие: в 3-5 раз превышает предел прочности — обычно от 570 до 1380 МПа. Вот почему серый чугун превосходно подходит для таких применений, как основания станков, блоки двигателей и колонные конструкции, где преобладают сжимающие нагрузки.
• Твердость: От 150 до 320 твердости по Бринеллю (BHN). Перлитные чугуны более высокого качества имеют твердость около 300 BHN, что обеспечивает превосходную износостойкость. Твердость серого чугуна является основной причиной, по которой его используют для изготовления компонентов тормозов и поверхностей направляющих машин.
• Удлинение: Менее 1 процента — фактически нулевая пластическая деформация перед разрушением. Серый чугун по своей природе хрупкий, его нельзя подвергать холодной обработке или формованию после литья.
• Способность гашения вибрации: В 20–25 раз больше, чем сталь и значительно выше, чем у ковкого чугуна. Чешуйки графита поглощают и рассеивают энергию вибрации, что делает серый чугун доминирующим материалом для станков станков, блоков двигателей и корпусов компрессоров, где контроль резонанса имеет решающее значение.
• Теплопроводность: От 46 до 52 Вт/(м·К) — выше, чем у большинства сталей, и значительно выше, чем у нержавеющей стали. Это способствует отводу тепла от тормозных дисков, головок цилиндров и посуды.
• Модуль упругости: От 66 до 172 ГПа — широкий диапазон, отражающий влияние объема, размера и ориентации графитовых чешуек на жесткость. Это ниже, чем у стали (200 ГПа), а это означает, что серый чугун прогибается больше на единицу напряжения.

Марки и стандарты серого чугуна

Серый чугун производится стандартизированных марок, которые определяют минимальную прочность на разрыв и, в некоторых стандартах, диапазоны твердости. Основными стандартами, используемыми во всем мире, являются ASTM A48, ISO 185 и EN 1561.

ASTM A48 (Северная Америка)

ASTM A48 классифицирует серый чугун по минимальному пределу прочности на разрыв в тысячах фунтов на квадратный дюйм. Номер марки напрямую равен минимальному пределу прочности: Класс 20 = минимум 138 МПа (20 тысяч фунтов на квадратный дюйм) . Классы варьируются от 20 до 60, причем более высокие цифры указывают на более прочные, твердые и перлитные микроструктуры.

ISO 185 и EN 1561 (международный)

В соответствии с ISO 185 и европейским стандартом EN 1561 марки серого чугуна обозначаются как От EN-GJL-100 до EN-GJL-350 , где цифра указывает на минимальную прочность на разрыв в МПа. EN-GJL-250 (минимальная прочность на растяжение 250 МПа) примерно соответствует классам ASTM от 35 до 40 и является наиболее часто используемой маркой для автомобильного и общего машиностроения в Европе и Азии.

Как делают серый чугун

Производство серого чугуна более простое, чем производство большинства других конструкционных металлов, что является важной причиной его низкой стоимости. Этот процесс в целом одинаков на всех литейных заводах по всему миру, хотя детали различаются в зависимости от типа оборудования и требований к качеству.

1. Подготовка шихты и плавка: Сырье — чугун, стальной лом, возвраты чугуна (шиберы, стояки, бракованные отливки), ферросплавы — загружают в электроиндукционную печь или вагранку. Вагранки, в которых в качестве топлива используется кокс, являются традиционным методом и остаются обычным явлением для крупносерийного производства из-за более низких затрат на электроэнергию. Индукционные печи обеспечивают более строгий контроль состава и предпочтительны для более качественной работы.
2. Регулировка химии: Состав расплавленного железа измеряется с помощью оптической эмиссионной спектрометрии (ОЭС) и корректируется путем добавления ферросилиция, ферромарганца или других лигатур. Содержание углерода корректируют добавлением углерода (графита) или разбавлением стальным ломом. Целевой CE устанавливается в соответствии с предполагаемой маркой и толщиной сечения отливки.
3. Прививка: Перед разливкой в ковш или непосредственно в поток формы добавляют ферросилициевый модификатор. Модификация способствует образованию хлопьев графита типа А, уменьшает количество переохлажденного графита (типа D) и минимизирует образование нагара на тонких срезах. Поздняя прививка — добавление модификатора в поток металла при его попадании в форму — наиболее эффективный метод и стандартная практика на современных литейных заводах.
4. Подготовка формы и заливка: Большую часть серого чугуна отливают в формах из зеленого песка (уплотненный влажный песок вокруг рисунка). Металл разливается при температуре от 1300°С и 1450°С в зависимости от толщины и сложности среза. Превосходная текучесть серого чугуна — лучше, чем у стали и ковкого чугуна — позволяет ему надежно заполнять тонкие сечения и изделия сложной геометрии.
5. Затвердевание и вытряска: Серый чугун претерпевает эвтектическое расширение во время затвердевания по мере выделения графита, что частично компенсирует общее объемное сжатие. Это снижает выраженность усадочной пористости по сравнению со стальными отливками. После застывания форму вытряхивают и отливку отделяют от песка.
6. Очистка и отделка: Ворота, стояки и заусенцы удаляются шлифованием или дробеструйной обработкой. Проверка размеров и испытание на твердость подтверждают соответствие спецификации. Отжиг для снятия напряжений при от 500°С до 600°С иногда выполняется на прецизионных отливках станков, чтобы минимизировать изменения размеров во время последующей обработки.

Где используется серый чугун: применение по отраслям

Позиции серого чугуна в производстве основаны на наборе основных свойств — демпфировании вибрации, прочности на сжатие, износостойкости, литье и обрабатываемости, — которые делают его предпочтительным материалом для конкретного и большого класса применений, с которым не может сравниться ни один другой материал по соотношению цена-качество.

Автомобильная промышленность: блоки двигателей и компоненты тормозов

Серый чугун остается доминирующим материалом для тормозные диски (диски) и тормозные барабаны в легковых и коммерческих автомобилях, несмотря на конкуренцию со стороны композитов и керамики. Его высокая теплопроводность (быстро рассеивает тепло тормозов), отличные трибологические свойства (постоянный коэффициент трения о тормозные колодки) и очень низкая стоимость за килограмм делают его функционально и экономически непревзойденным для этого применения. Типичный тормозной диск легкового автомобиля весит от 7 до 12 кг и производится из серого чугуна класса 30 или 35.

Блоки двигателей из серого чугуна по-прежнему распространены в коммерческих автомобилях, дизельных двигателях и бензиновых двигателях большого объема, где демпфирующая способность материала снижает шум и вибрацию по сравнению с алюминием. Гильзы цилиндров в алюминиевых блоках также часто изготавливают из серого чугуна, чтобы обеспечить необходимую износостойкость поверхности отверстия.

Станки и промышленное оборудование

Станины, колонны и бабки токарных, фрезерных станков, обрабатывающих центров и шлифовальных станков почти всегда отливаются из серого чугуна, преимущественно классов 30–40. Демпфирующая способность серого чугуна является решающим фактором. : основа станка, которая эффективно гасит вибрацию, обеспечивает лучшее качество поверхности и более длительный срок службы инструмента, чем эквивалентная стальная сварная деталь. Основания станков из серого чугуна также обладают превосходной стабильностью размеров с течением времени и меньшей чувствительностью к снятию остаточных напряжений, чем сварные стальные конструкции.

Трубы, клапаны и водная инфраструктура

Трубы из серого чугуна были основой городских систем водоснабжения, начиная с 19 века. В то время как ковкий чугун в значительной степени заменил серый чугун в новых водопроводных системах, сотни тысяч километров водопроводных труб из серого железа остаются в эксплуатации по всему миру , некоторым более 100 лет. Клапаны из серого чугуна, крышки люков и дренажные компоненты по-прежнему производятся в больших объемах для применения в инфраструктуре, где сжимающая нагрузка и коррозионная стойкость имеют большее значение, чем прочность на растяжение.

Посуда и кулинарное оборудование

Чугунная посуда — сковороды, жаровни, сковородки — представляет собой серый чугун в его наиболее заметном для потребителя применении. Высокая теплоемкость материала и равномерное распределение тепла делают его превосходящим тонкую нержавеющую сталь для задач, требующих устойчивой и равномерной подачи тепла. Хорошо выдержанная сковорода из серого железа образует естественный антипригарный слой полимеризованного масла, сочетающий пористость материала и текстуру поверхности в функциональной поверхности для приготовления пищи. Качественная чугунная посуда прослужит нескольким поколениям при правильном уходе.

Компрессоры, насосы и гидравлические компоненты

Цилиндры и рамы компрессоров, корпуса насосов и блоки гидравлических клапанов обычно отливаются из серого чугуна класса 30–40. Способность материала выдерживать давление при сжимающих окружных напряжениях в сочетании с превосходной обрабатываемостью для прецизионных отверстий и уплотнительных поверхностей, а также хорошей стойкостью к истиранию и износу от частиц, переносимых жидкостью, делает его надежным и экономичным выбором для гидроэнергетического оборудования, работающего при давлениях до 250 бар .

Серый чугун против других типов чугуна: когда какой использовать

Чугун — это не отдельный материал, это целое семейство. Выбор подходящего члена этого семейства требует понимания того, что предлагает каждый тип и где свойства серого чугуна дают ему преимущество или недостаток.

Выбирайте серый чугун когда гашение вибрации, прочность на сжатие, обрабатываемость и низкая стоимость являются приоритетами, а растягивающая нагрузка или ударопрочность не являются требованиями к проектированию. Выбирайте ковкий чугун, когда необходима прочность на разрыв, удлинение или ударопрочность. Выбирайте белый чугун только для применений, требующих сильного истирания, где не требуется обрабатываемость.

Обрабатываемость: почему серый чугун — один из самых простых в обработке металлов

Серый чугун является эталоном обрабатываемости среди черных металлов. Чешуйки графита служат стружколомами, образуя короткую хрупкую стружку, а не длинную волокнистую стружку, характерную для стали. Это значительно снижает силы резания, температуру инструмента и скорость его износа. Графит также действует как сухая смазка между инструментом и заготовкой, дополнительно снижая трение.

• Скорость резки: Ферритные марки (класс 20–25) можно обрабатывать при от 200 до 300 м/мин с твердосплавным инструментом с покрытием. Перлитные марки (класс 40–60) требуют пониженных скоростей от 100 до 200 м/мин из-за более высокой твердости и абразивности.
• Сухая обработка является стандартной: В отличие от стали, серый чугун обычно обрабатывается всухую. СОЖ может вызвать термическое растрескивание серого чугуна на границе раздела инструмент-заготовка, и ее обычно избегают при токарной, фрезерной и расточной операциях.
• Поверхностная обработка: Станки из серого чугуна для обработки поверхности Ra от 0,8 до 3,2 мкм со стандартным твердосплавным инструментом для токарных и расточных операций, достаточные для большинства поверхностей подшипников и уплотнений без дополнительного шлифования.
• Абразивный износ оснастки: Несмотря на легкую резку, чешуйки графита оказывают слабое абразивное воздействие на кромки режущего инструмента, особенно в марках с высоким содержанием кремния. Инструменты с покрытием из твердого сплава (TiN, TiCN, Al₂O₃) или CBN используются в крупносерийном производстве для поддержания постоянного срока службы инструмента.

Ограничения серого чугуна и когда его не следует использовать

У каждого материала есть границы целесообразного использования. Понимание ограничений серого чугуна предотвращает катастрофические ошибки проектирования и помогает принять правильные решения о замене материала.

• Не применяется в первичных несущих конструкциях: Серый чугун никогда не должен быть основным несущим элементом конструкции, подвергающейся значительным растягивающим или изгибающим напряжениям. Его почти нулевое удлинение означает, что он не обеспечивает предупреждения перед разрушением и пластического перераспределения перегрузок.
• Отсутствие ударной или ударной нагрузки: Области применения, связанные с внезапными ударными нагрузками — головки молотков, подъемные крюки, критически важные для безопасности кронштейны — принципиально несовместимы с хрупким поведением серого чугуна при изломе. Вместо этого следует использовать ковкий чугун или сталь.
• Трудно сваривать: Высокое содержание углерода и хрупкость серого чугуна делают сварку технически сложной и ненадежной. Ремонтная сварка возможна с предварительным подогревом до от 300°С до 600°С и электроды на основе никеля, но сварные соединения из серого чугуна никогда не бывают такими надежными, как основной металл, и их не следует использовать в приложениях, работающих под давлением, или в строительных конструкциях.
• Не подлежит холодной обработке: Серый чугун не обладает способностью к пластической деформации при комнатной температуре. Его нельзя согнуть, сформировать, свернуть или вытянуть. Все формы должны выполняться путем литья или механической обработки.
• Коррозия в агрессивных средах: Серое железо корродирует во влажной, кислой или соленой среде. Защитные покрытия — краска, эпоксидная смола, битумное покрытие — необходимы для эксплуатации на открытом воздухе или под землей. Чешуйки графита могут действовать как катоды в гальванических элементах, ускоряя растворение железа в электролитсодержащих средах без защиты.
• Чувствительность раздела: Свойства значительно различаются в зависимости от толщины сечения одной и той же отливки. Тонкие срезы охлаждаются быстрее, образуя более мелкие и твердые микроструктуры; толстые секции остывают медленно, образуя более грубый графит и более мягкую матрицу. Проектирование должно учитывать эту изменчивость или указывать диапазоны твердости в критических местах.