Ремонт и отделка

3. Серый чугун

Чугуном называется сплав железа с углеродом, содержащий более 2% углерода. Наибольшее распространение получили чугуны с содержанием углерода от 2,8 до 3,5%. Кроме углерода, в чугунах содержатся кремний и марганец, а также вредные примеси — сера и фосфор.

Чугуны могут быть белыми, серыми, ковкими и высокопрочными .

В белом чугуне весь углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементита. Структуры белых чугунов были рассмотрены ранее при разборе диаграммы состояний железо — цементит. Они очень тверды, практически не поддаются обработке резанием. В машиностроении их применение весьма ограничено.

В сером чугуне весь углерод или значительная его часть находятся в свободном состоянии в виде чешуек графита.

В ковком чугуне углерод полностью или частично входит в состав хлопьевидных включений углерода отжига. Получается путем термической обработки белого чугуна.

В высокопрочном чугуне углерод образует шаровидные включения графита.

Таким образом, отличительной особенностью каждой группы чугунов является химическое состояние углерода (связан в цементит или свободен) и форма графитных включений.

Излом серого чугуна из-за серых чешуек графита имеет матовый серый цвет. Поэтому он и называется серым. Серый чугун широко распространен в различных областях машиностроения для литейных изделий и обладает более низкой температурой плавления, чем углеродистая сталь, лучше заполняет формы сложной конфигурации благодаря высокой жидкотекучести, имеет не-большую усадку. Серый чугун хорошо поддается обработке резанием. Поэтому он является весьма ценным материалом для машиностроения. Из него изготовляют корпуса арматуры низкого давления, диафрагмы и корпуса низкого давления паровых турбин, литые элементы экономайзеров и воздухоподогревателей, дверцы лазов и прочие литые детали.

В процессе кристаллизации серого чугуна наряду с чешуйками графита из жидкого раствора выпадают кристаллы аустенита. Со снижением температуры растворимость углерода в аус-тените уменьшается, и углерод диффундирует к уже имеющимся чешуйкам графита и отлагается на их поверхности. При переходе через линию P'S'K' на диаграмме состояния железо—углерод (см. рис. 63) аустенит должен превратиться в эвтектоидную смесь феррита и графита. Если весь аустенит превратить в смесь феррита и графита, то получится серый ферритный чугун (рис. 64, в).

На шлифе под микроскопом графитные участки выглядят черными. В процессе подготовки микрошлифа, при шлифовке и поли-94 ровке графит выкрашивается. Поэтому при рассмотрении шлифа под микроскопом мы часто наблюдаем не графит, а полости, в которых он раньше располагался. Разделение аустенита на феррит и графит при охлаждении происходит в течение определенного времени. Надо, чтобы углерод, равномерно распределенный в аустените, успел продиффундировать к чешуйкам графита. Если охлаждение идет быстро и углерод не успевает перейти к чешуйкам графита, то аустенит превращается частично или полностью в перлит. На рис. 64, б показана структура серого феррито-перлитного чугуна, а на рис. 64, а —серого перлитного чугуна.

Строение металлической основы серого чугуна такое же, как у незакаленной доэвтектоидной или эвтектоидной стали. Различие механических свойств серого чугуна и стали обусловлено наличием чешуек графита в чугуне. В первом приближении прочностью графитных чешуек по сравнению с прочностью метал-лической основы можно пренебречь и рассматривать графитные включения как пустоты или трещины. Следовательно, чугун можно рассматривать как сталь, содержащую большое количество пустот и трещин.

Очевидно, что общий объем этих трещин, форма, размеры будут в большой степени определять прочность чугуна. Чем их больше, тем они сильнее разобщают металлическую основу, тем меньше прочность чугуна. Особенно сказывается влияние графитных включений на прочность при растяжении. Острые концы полостей, занятых графитом, облегчают разрушение металлической основы. Они играют роль надрезов.

Если сталь приблизительно одинаково сопротивляется растягивающим и сжимающим нагрузкам, то чугун значительно лучше работает на сжатие. Он очень плохо сопротивляется ударным нагрузкам.

Величина ударной вязкости серого чугуна весьма невелика: 0,01—0,04 Мдж/м2 (0,1—0,4 кГ-м/см2).

Чем мельче графитные включения, чем более завихренную форму они имеют, тем выше механические свойства чугуна. Для создания дополнительных центров кристаллизации графита и измельчения их в жидкий чугун перед разливкой в формы вводят специальные добавки — модификаторы. В качестве модификаторов используют ферросилиций или сплав ферросилиция с алюминием.

В состав чугуна, кроме железа и углерода, входит ряд примесей, которые могут существенно влиять на структуру и свойства чугуна.

Кремний особенно сильно влияет на структуру чугуна, способствуя графитизации. В серых литейных чугунах содержание кремния колеблется от 1,25 до 4,25%.

Марганец способствует отбеливанию чугуна. Растворяясь в карбиде железа, марганец повышает его устойчивость. Обычно в сером чугуне содержится до 0,6% марганца.

Сера присутствует в чугуне в количестве от 0,08 до 0,12%, способствует отбелу его и сильно снижает жидкотекучесть чугуна. Она является вредной примесью.

Фосфор почти не влияет на графитизацию чугуна, сильно повышает жидкотекучесть, что очень полезно для получения тонкостенных отливок. Фосфор образует с железом фосфид железа Fe3P. Повышение жидкотекучести связано с образованием тройной фосфидной эвтектики, плавящейся при 950° С. Фосфидная эвтектика возникает при содержании фосфора выше 0,5%. При меньшем содержании фосфора он весь растворяется в феррите. Фосфидная эвтектика улучшает упругие свойства чугуна и его износостойкость.

Водород является вредной примесью. Повышает устойчивость цементита и способствует отбеливанию.

Обозначения марок серых чугунов начинаются с букв СЧ — серый чугун; далее следуют два двухзначных числа, разделенных дефисом (черточкой), показывающих минимальные пределы прочности чугуна в кГ/мм2 соответственно при испытаниях на растяжение и изгиб. Например, чугун СЧ 18-36 имеет предел прочности при растяжении не менее 180 Мн/м2 (18 кГ/мм2), а при изгибе не менее 360 Мн/м2 (36 кГ/мм2). Самый прочный серый чугун СЧ38-60.

Отливки серого нелегированного чугуна из-за склонности его к росту применяют при температурах до 250° С; модифицированные чугуны — до 300° С. Согласно «Правилам устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением», Госгортех-надзора чугунное литье допускается для изготовления сосудов, предназначенных к работе при температуре стенки от—15 до +260° С и температуре обогревающей среды не выше 650° С. Обогрев пламенем не допускается. 96

В паровых турбинах из серого чугуна СЧ18-36, СЧ21-40 и СЧ24-44 изготовляют диафрагмы, цилиндры низкого давления и выхлопные патрубки.

При высоких температурах эксплуатации получает развитие процесс так называемого роста серого чугуна, т. е. необратимого увеличения его объема. В результате роста чугуна искажаются размеры деталей и снижается их прочность.

Явление роста обусловлено несколькими причинами. Одна из них — окисление металла по границам включений графита при работе чугунных деталей в зоне высоких температур. Кислород тем легче проникает внутрь детали, чем больше число и размеры чешуек графита.

Вторая причина, обусловливающая рост чугуна, — распад при повышенной температуре цементита с плотностью 7,8 г/см3 на железо с плотностью 7,8 г/см3 и графит с плотностью 2,2 г/см3. В результате распада получаются два продукта, суммарный объем которых больше объема цементита, из которого они образовались.

Третья причина роста чугуна — аллотропические превращения, которые претерпевают чешуйки графита в чугуне. Процесс роста чугунных деталей резко ускоряется с повышением температуры, особенно при циклическом изменении температуры.

Характер окружающей атмосферы также влияет на скорость роста чугуна.

Так, серый чугун, содержащий 3,48% углерода и 2% кремния, в результате пребывания при 400° С в атмосфере водяного пара в течение 54 недель увеличивается в объеме приблизительно на 3%; предел прочности при растяжении снижается со 129 до 74 Мн/м2 (с 12,9 до 7,4 кГ/мм2).

Для снижения роста чугуна применяют присадку никеля в количестве 1—2%. Особенно хорошо сопротивляется росту чугун, содержащий около 14% Ni, 6% Си и 4% Сг.