3. Серый чугун

Структура серого чугуна (см. рис. 1, а) формируется непосредственно при кристаллизации его в отливке в соответствии с диаграммой стабильного равновесия системы Fe-C. Характер структурообразования при эвтектическом превращении определяется прежде всего содержанием углерода кремния в сплаве, а также скоростью охлаждения. Установлено, что чем больше углерода и кремния в сплаве и чем ниже скорость его охлаждения тем выше вероятность кристаллизации по диаграмме стабильного равновесия с образованием графитной эвтектики по схеме

Ж_(С') → А_(Е') + ПГ

Обычно в серых чугунах содержится 3,0...3,7 % С; 1,2...2,6 % Si. С держание элементов (%) подбирают так, чтобы С + Si/З = 4,3. При удовлетворении этого условия чугун получается эвтектическим и обладает хорошими технологическими свойствами (жидкотекучесть, малая усадка, незначительный пригар металла к форме и др.).

Высокое содержание кремния в сером чугуне объясняется тем, что кремний является сильным графитообразующим элементом. Растворяясь аустените, кремний способствует уменьшению растворимости углерода в нем. В результате жидкая фаза обогащается углеродом и процесс образования графита облегчается. При низком содержании углерода и кремния чугун дифицируют графитизирующими добавками (алюминий, кальций, церий).

При медленном охлаждении сплав не переохлаждается до эвтектической температуры (t_EСF на диаграмме местабильного состояния) и расплав кристаллизуется по диаграмме стабильного состояния с образованием графитной эвтектики Ж(С') → А(Е') + ПГ. Если же появляется некоторое количество цементита (Ж А + ПГ + Ц), то он при наличии кремния теряет устойчивость и быстро распадается с образованием А + ПГ.

Металлическая основа серых чугунов, как и ковких, формируется из аустенита при эвтектоидном распаде. Образование перлита (диаграмма метастабильного состояния, область t_PSK) происходит легко, в сравнительно короткий промежуток времени. Получается серый чугун на перлитной металлической основе (рис. 6). Формирование же феррита, т.е. распад аустенита по диаграмме стабильного состояния А_(S') →Ф_(Р') +ПГ , протекает крайне инертно и только около имеющихся пластин графита. Вокруг ПГ образуется оторочка той или иной ширины. Получается чугун с ферритной металлической основой.

Для получения ферритного серого чугуна (рис. 6) оставшийся перлит устраняется путем изотермической выдержки при 690...650 °С, цементит перлита распадается на Ф + ПГ. В этом случае чугун необходимо модифицировать.

При конструировании деталей машин следует учитывать, что серые чугун работают на сжатие лучше, чем на растяжение. Они мало чувствительны надрезам при циклическом нагружении, хорошо поглощают колебания при вибрациях, обладают высокими антифрикционными свойствами из-за смазывающей способности графита. Серые чугуны хорошо обрабатываются резанием, дешевы и просты в изготовлении.

Основным показателем механических свойств серых чугунов, в соответствии с ГОСТ 1412-85, является прочность при статическом растяжении. Марка серого чугуна состоит из букв СЧ (серый чугун) и цифры, показывающей уменьшенное в 10 раз значение (в МПа) временного сопротивления при растяжении σ_В (табл. 1).

Например, СЧ 10 ГОСТ 1412 – 85.

Выбор марки чугуна для конкретных условий работы определяется совокупностью технологических и механических свойств.

Ферритные серые чугуны СЧ 10, СЧ 15 предназначены для слабо и средненагруженных деталей (крышки, маховики, корпуса редукторов, подшипников, тормозные барабаны, диски сцепления и т. д.).

Ферритно-перлитные чугуны СЧ 20, СЧ 25 применяют для деталей, работающих при повышенных нагрузках (блоки цилиндров, картеры двигателя, поршни цилиндров, станины станков и другие отливки).

Более высокими свойствами обладают перлитные модифицированные чугуны группы СЧ 30, СЧ 35 благодаря мелким разобщенным графитным включениям. Они используются для деталей, работающих при высоких нагрузках или в тяжелых условиях износа (зубчатые колеса, гильзы блоков цилиндров, распределительные валы, шпиндели и т. д.).