Серые чугуны, область применения, строение

Содержание

Серые чугуны, область применения, строение…………………………..3

Список использованной литературы…………………………………….12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Серые чугуны, область  применения, строение

Серым чугуном называется сплав железа, углерода и других элементов, в котором при затвердевании вместо ледебурита образуется железо – графитная эвтектика.

Серый чугун является самым дешевым из литейных материалов. Механические свойства чугуна зависят от величины зерна металла, от размера и характера распределения включений графита, а также от соотношения между общим, связанным и свободным углеродом (графитом). В обычном сером чугуне графит кристаллизуется в виде пластинок. Эти пластинки в чугуне расчленяют основную металлическую массу и действуют как внутренние трещины. По этой причине серый чугун с пластинчатым графитом обладает низкой прочностью и лишен пластичности. Однако наличие графита в чугуне придает ему меньшую чувствительность к внешним надрезам.

Вследствие этого в  чугунной отливке острые углы, резкие переходы, неметаллические включения, небольшие газовые раковины и поры лишь в очень малой степени понижают ее конструкционную прочность.

Чугун обладает способностью рассеивать колебания при переменных и вибрационных нагрузках. Это свойство называют циклической вязкостью. Благодаря  высокой циклической вязкости серый  чугун является хорошим конструкционным  материалом, который во многих случаях  может с успехом заменять более  дорогостоящую сталь (например, для  коленчатых валов). Кроме того, отдельные  марки серого чугуна имеют достаточно высокую прочность. Все это объясняет  широкое применение серого чугуна для  изготовления разнообразных машиностроительных деталей.

Серые конструкционные чугуны представлены в стандарте 10 марками: СЧ 00, СЧ 12—38, СЧ 15—32, СЧ 18—36,СЧ 21—40, СЧ 24—44, СЧ 28—48, СЧ 32—52, СЧ 35—56, СЧ 38—60, где  буквы СЧ означают «серый чугун», первое число определяет минимальный предел прочности при растяжении в кП мм 2, второе число — минимальный предел прочности при изгибе в кГ/мм².

Химический состав чугунов  ГОСТ не лимитирует. Это объясняется  тем, что механические свойства чугунов  зависят от многих факторов. Так, например, чугун одинакового состава в  стенках отливки разной толщины  имеет различные механические свойства; две одинаковые отливки, одна из которых  пблучена в песчаной, а другая в металлической форме, а также отливки, полученные в одинаковых формах, но охлажденные с различной скоростью, будут обладать различными свойствами.

Даже в одной и той  же стенке отливки механические свойства не везде одинаковы: в поверхностных  слоях стенки прочность металла  оказывается выше, а в центре сечения  ниже.

В основу стандартизации серого чугуна заложен принцип регламентирования минимально допустимого значения временного сопротивления разрыву при растяжении ( В). В соответствии с этим принципом обозначение марки чугунасодержит минимально допустимое значение  В определенного в стандартной пробной литой заготовке. Механические свойства серого чугуна регламентируются ГОСТ 1412-85 и приведены в табл.1.2. Необходимо учитывать, что порядок подготовки и проведения механических испытаний серого и других чугунов отличаются от методов испытания стали. Например, для чугунных отливок контроль свойств проводят по ГОСТ 27208-87 «Отливки из чугуна. Методы механических испытаний», а способы получения заготовок для образцов из каждого чугуна регламентированы соответствующим стандартом (для серого – ГОСТ 24648 –81).

Таблица 1.1 – Механические свойства и рекомендуемые составы серого чугуна (ГОСТ 1412-85)

K большинству чугунных  отливок в силу особенностей  их эксплуатации часто предъявляются различные условия, включающие другие (не предусмотренные ГОСТ 1412-85) требования по механическим свойствам, а также по физическим и теплофизическим показателям. На практике достаточно часто удается проследить связь между определенной группой физико-механических и теплофизических свойств чугуна и эксплуатационными показателями конкретного изделия. Наиболее часто встречающиеся показатели механических свойств серого чугуна, часть из которых не регламентируется ГОСТ 1412-85, приведены в табл.1.3-1.5.

Большое влияние на механические свойства чугуна имеет скорость охлаждения металла, а, следовательно, и толщина  стенок отливок. В этом случае при  оценке реальной прочности отливок  рекомендуется изготавливать различного рода тестовые заготовки, которые соответствуют  толщине отливок, и из них вырезать образцы для испытаний. Определенные представления о влиянии толщины стенки отливки на прочность и твердость чугуна можно получить, воспользовавшись данными табл.1.2.

Таблица 1.2 – Механические свойства серого чугуна при растяжении и изгибе

 

Основные показатели, характеризующие  физические свойства чугуна (плотность, удельная теплоемкость, теплопроводность и коэффициент линейного расширения), приведены в табл.1.7 в соответствии с приложением № 2 ГОСТ 1412-85. Данные такого рода имеются также в стандартах других стран, например, Британский стандарт BS 1452 1977.

Модуль упругости чугуна зависит от размеров графитных пластин  и уменьшается с увеличением  их размера. Более высокий уровень  пластичности серый чугун с пластинчатым графитом показывает при сжатии. Например, осадка серого чугуна в холодном состоянии при сжатии может составлять 20 – 40 %. При растяжении пластичность, как видно из табл. 1.3, не достигает и 1 % удлинения.

Таблица 1.3 – Механические свойства серого чугуна при сжатии

 

Таблица 1.4 – Механические свойства серого чугуна при кручении

 

Обобщая имеющиеся в литературе данные, необходимо заметить, что плотность  чугуна тем выше, чем ниже содержания в нем углерода и кремния. Коэффициенты теплового расширения и удельной теплоемкости зависят не столько  от химического состава чугуна, сколько  от его структуры. При этом легирующие элементы слабо влияют на эти коэффициенты. Исключение составляет только медь. Теплопроводность чугуна, связанная с теплопроводностью структурных составляющих, оказывается наибольшей при максимальном содержании графита.

 

 

 

Таблица 1.5 – Зависимость прочности ( В) и твердости (НВ) серого чугуна от толщины стенок отливок

 

Таблица 1.6 – Физические свойства чугуна с пластинчатым графитом (ГОСТ 1412-85)

 

Как конструкционный материал серый чугун используются для  широкого спектра изделий практически во всех отраслях машиностроительного комплекса. К числу наиболее крупных потребителей чугунного литья следует отнести автомобилестроение, станкостроение, тяжелое и металлургическое машиностроение, санитарно-техническую промышленность и пр.

В конструкции автомобилей  и тракторов масса литых деталей  из серого чугуна, например, составляет 15-25% от общей массы. Преимущественное применение серого чугуна обусловлено  тем фактом, что в нем сочетаются высокая износостойкость и противозадирные  свойства при трении с ограниченной смазкой, демпфирующая способность. Основная номенклатура изделий – это блоки, головки и гильзы цилиндров, крышки коренных подшипников двигателей, тормозные диски и диски сцепления, тормозные барабаны и другие детали, для которых серый чугун яв-ляется оптимально технологичным и экономичным конструкционным материалом.

Блоки цилиндров карбюраторных  и дизельных двигателей изготавливают из низколегированных чугунов марки СЧ20, СЧ25, которые обеспечивают в стенках отливок толщиной 15-25 мм  В =200-250 Н/мм2, а в более тонких стенках до 270 Н/мм2. Такого же типа чугуны обычно применяют для головок цилиндров дизельных двигателей и гильз цилиндров карбюраторных и дизельных двигателей. Основными требованиями к чугуну для гильз являются: перлитная структура матрицы (не более 5% феррита), графит среднепластинчатый неориентированный, твердость в пределах 200-250 НВ. В конструкции автомобильных дизельных, карбюраторных, а также тракторных двигателей широко применяют гильзы цилиндров из специальных легированных чугунов, чаще всего – фосфористые.

Для блоков и головок цилиндров  тяжело нагруженных дизельных двигателей (автомобильных и судовых) применяют специальные легированные чугуны, а для головок цилиндров – высокоуглеродистые (более 3,5% С) легированные термостойкие чугуны. Эти требования выполняются при использовании для отливки гильз низколегированных чугунов, химический состав которых выбирают с учетом технологии формы, метода плавки, сечения отливки.

Чугунные распределительные  валы дизельных и карбюраторных  двигателей (легированные чугуны марки СЧ 25 и СЧ 30) имеют высокую износостойкость и широко применяются в автомобилестроении. Легирование молибденом, хромом, никелем обеспечивает хорошую закаливаемость и прокаливаемость чугуна, и заданную глубину отбеленного слоя (в отбеленных кулачках). Высокая твердость и износостойкость кулачков достигаются либо за счет поверхностной закалки чугуна, в структуре которого (в носике кулачков) имеются игольчатые карбиды, либо за счет поверхностного отбела чугуна в кулачках при кристаллизации в контакте с холодильником. Отбеленные кулачки предпочтительны в тяжелых условиях работы.

Тормозные диски, барабаны и  нажимные диски сцепления, работающие в условиях сухого трения с высокими скоростями скольжения должны обеспечивать в паре с фрикционной пластмассой стабильный коэффициент трения и износостойкость. При многократных циклах торможения, во время которых в контакте фрикционной пары выделяется тепло, а затем быстро отводится, на поверхности чугунной детали образуются термические трещины, снижающие прочность. Для тормозных барабанов и дисков средней нагруженности чаще всего применяют серый чугун марки СЧ20 или СЧ25. В условиях высокой нагруженности деталей, когда на поверхности трения образуются термические трещины, применяют специальные высокоуглеродистые термостойкие чугуны с повышенным уровнем легирования. Для наиболее тяжелых условий работы рекомендуется использовать перлитные чугуны с вермикулярным графитом.

Маховики в процессе работы вращаются с частотой порядка 2500-8000 об/мин. Соответственно, в них возникают  большие растягивающие напряжения, а поверхность маховика периодически трется о сопряженную рабочую поверхность. Трение с большими скоростями приводит к выделению тепла на поверхности трения, образованию усталостных термических трещин, снижающих прочность маховика. Требования повышенной прочности с учетом большой массы маховиков и толщины сечения обусловили применение для их изготовления серых чугунов марки СЧ25, СЧ30, СЧ35 (чем больше сечение отливки, тем выше марка). Выбранная марка чугуна должна обеспечивать получение в теле отливки прочности не ниже 200-250 Н/мм2. Если прочность чугуна СЧ 35 недостаточна для обеспечения условий работы маховиков, то необходимо применять чугуны с вермикулярным или шаровидным графитом. Крышки коренных подшипников из серого чугуна применяют в основном в карбюраторных двигателях легковых автомобилей. Для обеспечения перлитной структуры и твердости не менее 200 НВ крышки подшипников отливают из серого чугуна марки СЧ25. Для тяжело нагруженных карбюраторных двигателей и для дизельных двигателей применяют крышки подшипников из ковкого чугуна или чугуна с шаровидным графитом.

Выпускные коллекторы подвергаются воздействию горячих агрессивных выхлопных газов и в процессе работы подвержены окислению, термическим деформациям, а иногда - растрескиванию. Во многих случаях серый чугун является экономичным и достаточно долговечным материалом для этих деталей. Учитывая, что коллекторы имеют тонкие стенки (3-7 мм), их отливают из чугунов марки СЧ15, СЧ20, которые для повышения жаростойкости легируют небольшими добавками хрома и никеля. Для термически нагруженных коллекторов применяют ковкий чугун, чугун с шаровидным графитом, а иногда - аустенитный чугун с шаровидным графитом, имеющим высокую термостойкость и стойкость против окисления.

В станкостроении серый чугун  применяют для широкой номенклатуры литых деталей с массой от 0,1 кг до 100 тонн с толщиной стенок от 4 до 200 мм, работающих в самых разнообразных  условиях. Классификация станкостроительных литых деталей из серого чугуна с учетом этого разнообразия конструкций и условий работы осуществляется в соответствии с ОСТ 2 МТ 21-2-83. При выборе марки чугуна конструктор в зависимости от класса, группы детали и приведенной толщины стенки отливки определяет необходимый минимальный уровень твердости и микроструктуры.

С учетом специфики большинства  станкостроительных деталей, работающих преимущественно на жесткость, а не на прочность, предпочтение отдают чугунам, обладающим повышенной твердостью и пониженной пластичностью. Такие чугуны по химическому составу отличаются повышенным (против рекомендаций ГОСТ 1412-85) содержанием кремния и марганца при пониженном содержании углерода. Если невозможно получить необходимый уровень твердости чугуна, в направляющих применяют легирование, формовку с холодильниками и др. Отливки из серого чугуна весьма широко и успешно используются для определенной номенклатуры деталей сменного металлургического оборудования: сорто- и листопрокатные валки, всевозможные изложницы для разливки слитков, шлаковые чаши и т.п.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованной литературы

1. Иванов В.Н. Словарь-справочник по литейному производству. – М.: Машиностроение, 1990. – 384 с.: ил.
2. Колесов С.Н., Колесов И.С. Материаловедение и технология конструкционных материалов. Учебник для ВУЗов. 2е изд. М.: Высшая школа, 2007. – 535 с.
3. ГОСТ 1412-85. Чугун с пластинчатым графитом для отливок. Марки.
4. ГОСТ 3443-87. Отливки из чугуна с различной формой графита. Методы определения структуры.
5. ГОСТ 27208-87. Отливки из чугуна. Методы механических испытаний.