Механические свойства и рекомендуемый химический состав серого чугуна по гост 1412-85

Марка чугуна	Механические свойства					Среднее содержание элемента, мае. %
		^изг	НВ		С		Si		Мп		с
	Н/мм^2 (кгс/мм^2), не менее
Заэвтектические чугуны
СЧ10	98(10)	274(28)	143 ...229		3,6		2,4		0,6		4,4
СЧ15	147(15)	314(32)	163 ...229		3,6		2,2		0,6		4,33
Эвтектический чугун
СЧ18	176(18)	358(36)	170... 229		3,5		2,1		0,7		4,2
Доэвтектические чугуны
СЧ20	196(20)	392(40)	170... 241		3,4		1,8		0,85		4,0
СЧ25	245(25)	451(46)	180... 250		3,3		1,8		0,8		3,9
СЧ30	294(30)	490(50)	181 ...255		ЗД		1,1		0,8		3,9
СЧ35	343(35)	539(55)	197...219		2,9		1,0		0,9		3,23

Примечание. Содержание примесей, мае. %, менее: Р 0,2; S 0,15.

Как видно, с увеличением степени эвтектичности механичес­кие свойства снижаются (за исключением демпфирующей спо­собности). В заэвтектических чугунах (СЧ10, СЧ15) формируется в основном ферритная металлическая матрица с образованием большего количества пластинчатого графита прямолинейной или игольчатой формы. Наилучшим комплексом механических свойств обладают доэвтектические чугуны СЧ20, СЧ25, СЧ30, СЧ35 прак­тически с перлитной основой, которые нашли широкое приме­нение для изготовления сложных и ответственных отливок в авто­мобильной промышленности (блоки цилиндров, гильзы, тормоз­ные барабаны), в станкостроении и др.

Чугуны с графитом являются хрупкими материалами, дефор­мационные свойства которых характеризуются в основном упру­гой деформацией. Именно упругие деформационные свойства ха­рактеризует стрела прогиба при испытании на изгиб литых образ­цов 030 мм и длиной 300 или 600 мм - Узоо ^иУбоо- Относительное (остаточное) же удлинение при растяжении образцов является малым и составляет максимально, как уже выше было отмечено, 0,2...0,75 %.

Таблица 5.2

Механические свойства серых чугунов, не предусмотренные гост 1412-85

Марка чугуна	При растяжении		При сжатии			Демпфиру­ющая спо­собность, V, %
	Е, кгс/мм^2	5, %	кгс/мм^2	Е, кгс/мм^2
СЧ10...СЧ15	6000... 8000	0,2... 1,0	50... 80	6500... 9000	30...32
СЧ20...СЧ25	8500... 12000	0,4...0,7	85...95	9300... 12500	25...30
СЧ30...СЧ35	1300... 14500	0,6...0,9	110... 120	14000... 15500	10...20

Примечание. Для пересчета в единицы СИ 1 кгс/мм² = 9,8 Н/мм².

Следует отметить, что расчет предела прочности при изгибе по уравнениям сопротивления материалов является некорректным, так как уравнения получены для гипотезы плоских сечений. Для чугуна гипотеза плоских сечений неприменима, потому что серый чугун неодинаково ведет себя при растяжении и сжатии. Изгиб же явля­ется видом нагружения, когда часть волокон растягивается, часть сжимается. Для чугуна нейтральное волокно сдвигается в сторону сжимающих волокон, а прямолинейная эпюра напряжений сильно. искривляется в этом же направлении и гипотеза плоских сечений не выполняется. Видимо, поэтому в ГОСТ 1412-85 по маркам чу­гуна данные о пределе прочности при изгибе не приводятся.

Из не предусмотренных ГОСТом механических свойств следу­ет назвать модуль упругости Е, относительное (остаточное) удли­нение и демпфирующую способность (табл. 5.2).

Особенную роль для чугунных базовых деталей, особенно стан­ков, играет релаксационная стойкость.

Под релаксацией понимается самопроизвольное умень­шение напряжений в нагруженной детали из-за перехода упругой деформации в пластическую. Релаксация характерна для многих сплавов и деталей из них. Можно напомнить, что с течением вре­мени необходима настройка струнных инструментов, пружины «са­дятся», ослабляется затяжка болтов и т.п. В серых чугунах даже при малых нагрузках возникают пластические деформации, а с учетом остаточных напряжений в отливках даже малые рабочие напряжения вызывают пластические деформации, которые с те­чением времени накапливаются, и размеры детали выходят из пределов допуска на них. Примерами таких деталей являются ста­нины точных станков. В ряде случаев станина длиной несколько метров имеет допуск на прямолинейность направляющих 1... 2 мкм. Известно также, что разобранный для ремонта блок цилиндров снова собрать нельзя, и его приходится растачивать.

Поэтому для повышения релаксационной стойкости деталей из серого чугуна издавна применяют естественное старение, за­ключающееся в длительном (9... 12 мес) вылеживании под откры­тым небом или в складском помещении. Остаточные напряжения при этом уменьшаются на 2... 10 %, а отливки после этого прак­тически не коробятся. Оказалось, что при длительном естествен­ном старении происходит релаксация максимальных напряжений в местах их концентрации около графитовых включений и упроч­нение металлической основы на этих участках. Поэтому при пос­ледующей нагрузке в этих местах не происходит пластическая де­формация, и, таким образом, стабилизируются размеры детали. Следует заметить, что естественному старению подвергаются от­ливки, предварительно подвергнутые черновой обработке, так как при механической обработке происходит перераспределение ос­таточных напряжений. На чистовую обработку оставляют припуск, равный 0,5... 1,0 мм.

Естественное старение стараются не применять, а заменяют его низкотемпературным отжигом (500... 600 или 200... 300 °С) или методами статического и динамического (вибрация) нагружения.

Кроме того, для повышения релаксационной стойкости при­меняют метод термоудара, заключающийся в создании в отливках при быстром их нагреве до температуры 200...400°С температур­ных напряжений, вызывающих временную перегрузку.

Пути повышения прочностных свойств серого чугуна. Когда тре­буется сделать выбор из двух соседних марок чугуна, например СЧ20 и СЧ25, то по сути решается вопрос о том, как обеспечить увеличение прочности. Здесь у технологов существует несколько возможностей.

Первый путь можно установить, анализируя данные ГОСТ 1412-85 (см. табл. 5.1), согласно которым для увеличения прочно­сти и твердости необходимо уменьшить содержание углерода, а следовательно, графита в чугуне. При этом уменьшается углерод­ный эквивалент С_экв и суммарное содержание С + Si (немного уменьшается и содержание кремния). Из структурных диаграмм известно, что с уменьшением содержания С + Si растет вероят­ность отбела, поэтому второй путь повышения прочности - модифицирование. Высокие марки чугуна, начиная с СЧ25, не­возможно получить без модифицирования. Третий путь повы­шения прочности - легирование главным образом хромом и ни­келем. В чугунах марок СЧ25 и выше наблюдается в основном пер­литная структура. Легирование перлита естественно повышает проч­ность. И, наконец, четвертый путь - снижение содержания S и Р как вредных примесей.

Особенности литейных свойств. Серый чугун обладает очень хорошими литейными свойствами. Жидкотекучесть серых чугунов, как правило, выше, чем углеродистых сталей.

Серые чугуны при введении в их состав до 1,0 % фосфора при­меняются для художественного литья (примером являются кас­линские художественные отливки).

При несколько меньшем (до 0,6 %) содержании фосфора из серого чугуна индивидуально отливают поршневые кольца с тол­щиной стенки около 3 мм. Отливка тонкостенных отливок из се­рого чугуна в металлические формы представляет значительные сложности, главным образом, из-за отбела.

Эвтектические и околоэвтектические чугуны к усадочным ра­ковинам и пористости практически не склонны, и отливки из них изготовляются без прибылей благодаря расширению чугуна вследствие выделения графита в некотором интервале температур после затвердевания.

Доэвтектические чугуны, особенно чугуны высоких марок, склонны к образованию усадочных дефектов, и отливки из них изготовляются с небольшими прибылями. Число прибылей мини­мальное, так как расстояние, на которое действует прибыль, до­стигает более 1,5 м.

Только в некоторых случаях для отливок диаметром свыше 500 мм, например автомобильных тормозных барабанов, требуется вторая боковая сливная прибыль, расположенная напротив про­ливной в месте подвода металла.

Следует еще раз напомнить, что, несмотря на малую объем­ную усадку, отливки из чугуна высоких марок, начиная с СЧ25, получить без усадочных дефектов непросто, так как расширение чугуна происходит после затвердевания и объем прибылей зави­сит от податливости литейной формы.

Отливки из серого чугуна к горячим трещинам практически не склонны, так как при температурах вблизи интервала крис­таллизации отливки расширяются, расширение происходит в уже затвердевшей корке, и растягивающие механические напряже­ния в интервале температур кристаллизации практически не воз­никают. Однако при последующем охлаждении проявляется боль­шая склонность отливок из серого чугуна к холодным трещи­нам, поэтому их стараются как можно раньше выбивать из ме­таллических форм.

Из-за склонности серого чугуна к холодным трещинам круп­ные отливки выбивают при температурах около 200 °С. Причиной холодных трещин в этих отливках является их более интенсивное неоднородное охлаждение на воздухе после выбивки (по сравне­нию с песчано-глинистой формой) из-за неоднородного осво­бождения от формовочной смеси и стержней. Покрытые формо­вочной смесью участки охлаждаются медленнее, чем освободив­шиеся от смеси. Вследствие этого возникает большая разность тем­ператур в отливке, приводящая к высоким временным напряже­ниям и разрушению отливки.

Как уже отмечалось ранее, очень сильно способствуют образо­ванию холодных трещин отбеленные участки отливок и заливы, в которых, как правило, также наблюдается структура белого чугу­на из-за большой скорости охлаждения.

Склонность чугуна к насыщению газами и образованию газо­усадочной пористости следует признать умеренной. Основные про­блемы связаны с образованием газовых раковин, которые образу­ются при выделении газов из форм и стержней, а также в случае неправильно сконструированной литниковой системы, в которой происходит подсос газов и их захват.

Аналогично, склонность к ликвации и неметаллическим вклю­чениям также не создает особых проблем, исключая шлаковые и песчаные включения, которые часто попадают в отливку.

В то же время, серый чугун является одним из самых чувстви­тельных сплавов к изменению механических свойств в зависимо­сти от толщины стенки (см. подразд. 3.12). Физические свойства серого чугуна (СЧ) в сравнении со свойствами высокопрочного чугуна (ВЧ), чугуна с вермикулярным графитом (ЧВГ) и ковкого чугуна (КЧ) приведены в табл. 5.3.

Следует обратить внимание на больший коэффициент тепло­проводности X серого чугуна по сравнению с другими чугунами. Поэтому температурные напряжения в сером чугуне также будут меньше из-за уменьшения перепадов температур.

Пластинчатый графит кроме положительного и отрицатель­ного воздействия на структуру, которое было отмечено выше, сильно влияет также на герметичность, под которой понимается способность материала противостоять фильтрации жидкости или газа. В отливках из чугуна с графитом, особенно из серого чугу­на, кроме усадочной, газовой и газоусадочной пористости отме­чают еще и графитную пористость, которая зависит от размера и формы графита. Считается, что причиной низкой герметичности чугунов является грубая форма пластинчатого графита. Между