Серый чугун: структура и свойства простыми словами

Серый чугун это самый массовый литейный сплав железа с углеродом, в котором углерод выделился в виде свободного графита, а не связался в цементит. Именно форма и количество этого графита, а не химия как таковая, объясняют почему станина станка из серого чугуна гасит вибрации, но трескается от удара. Ниже разобрана структура серого чугуна, его механические свойства и марки по ГОСТ, а перед текстом стоит конструктор: соберите свой вопрос по теме и получите развёрнутый разбор.

Что такое серый чугун

Чугун это сплав железа с углеродом при содержании углерода более 2,14 процента. В серых чугунах углерод (обычно 2,8 до 3,6 процента) при медленном охлаждении выделяется графитизацией в виде пластинок графита. Назван он серым по цвету излома: графит делает свежий слом матовым и тёмно-серым, тогда как белый чугун, где углерод связан в цементит $Fe_3C$, ломается со светлым блестящим изломом.

Серый чугун содержит и другие элементы. Кремний (1,5 до 3 процентов) это главный графитизатор: он сдвигает равновесие к выделению свободного графита. Марганец, наоборот, тормозит графитизацию и стабилизирует цементит. Сера и фосфор это примеси: сера ухудшает литейные свойства и способствует отбелу, а фосфор повышает жидкотекучесть, но делает чугун хрупким.

Рассчитать для своей задачи

Структура серого чугуна: графит и матрица

Структуру серого чугуна удобно разложить на две части: включения графита и металлическую матрицу вокруг них. Это деление принципиально, потому что прочность задаёт матрица, а пластичность и трещиностойкость убивает форма графита.

Графит в сером чугуне имеет форму изогнутых пластин (лепестков). В плоскости шлифа они видны как тёмные искривлённые линии. Объёмно это разветвлённые лепестки, выросшие из общих центров кристаллизации. Именно пластинчатая форма даёт серому чугуну его особый характер, о котором ниже.

Металлическая матрица это та же структура, что и в сталях, поскольку вокруг графита остаётся раствор железа с небольшим количеством связанного углерода. Матрица бывает трёх типов, и от неё напрямую зависят прочность и твёрдость.

Рассчитать для своей задачи

Типы металлической матрицы

• Ферритная матрица: мягкая, пластичная, но малопрочная. Весь углерод ушёл в графит, в основе почти чистый феррит. Такой чугун хорошо обрабатывается резанием, но имеет низкую прочность.
• Феррито-перлитная матрица: промежуточный и самый распространённый вариант. Часть углерода связана в перлит, часть выделилась графитом. Сбалансированные свойства.
• Перлитная матрица: самая прочная и твёрдая. Связанного углерода больше, перлит даёт высокую прочность на сжатие и износостойкость. Такой чугун труднее обрабатывать, зато детали лучше держат нагрузку.

Перлитная основа отвечает прочности стали средней твёрдости, но даже она в серых чугунах не спасает от хрупкости: разрушение всё равно идёт по графитным пластинам.

Почему форма графита решает всё

Пластинчатый графит работает в металле как сеть готовых внутренних надрезов. Сам графит почти не несёт нагрузки (его прочность ничтожна по сравнению с матрицей), поэтому каждая пластина это пустота с острыми концами. На этих концах концентрируются напряжения, и при растяжении трещина легко перескакивает от одной пластины к другой. Поэтому серый чугун плохо работает на растяжение и почти не имеет пластичности: относительное удлинение близко к нулю, материал хрупкий.

На сжатие картина другая: надрезы закрываются, и серый чугун держит сжимающую нагрузку в 3 до 4 раз лучше, чем растягивающую. Отсюда правило конструктора: детали из серого чугуна нагружают сжатием, а не растяжением и изгибом с растянутой зоной.

Та же пластинчатая форма даёт серому чугуну ценные плюсы. Графит гасит колебания, поэтому станины станков и корпуса насосов из серого чугуна отлично демпфируют вибрации. Графитные пластины работают как смазка и стружколом, поэтому чугун легко обрабатывается резанием и хорошо ходит в парах трения. А высокое содержание углерода даёт превосходные литейные свойства: низкую температуру плавления, хорошую жидкотекучесть и малую усадку. Если вместо пластин графит сделать шаровидным, надрезы исчезают, и сплав становится пластичным; об этом отдельная статья про высокопрочный чугун с шаровидным графитом.

Свойства серого чугуна

Главные механические характеристики серого чугуна:

• Предел прочности на растяжение $\sigma_в$ от 100 до 450 МПа в зависимости от марки и структуры.
• Прочность на сжатие в 3 до 4 раз выше растягивающей.
• Твёрдость обычно 143 до 289 HB; растёт с долей перлита в матрице.
• Относительное удлинение $\delta$ практически нулевое, материал не пластичен.
• Хорошая обрабатываемость, демпфирование, износостойкость, литейные свойства.

Свойства зависят и от скорости охлаждения отливки, то есть от толщины стенки. В тонких сечениях охлаждение быстрее, графит мельче, матрица более перлитная и прочная. В толстых сечениях того же отлива графит крупнее, может появиться феррит, и прочность падает. Поэтому в чертеже прочность нормируют по контрольному образцу определённого диаметра. Подробнее о роли углерода и связанного углерода в железоуглеродистых сплавах смотрите в разборе влияния углерода на свойства стали.

Марки серого чугуна по ГОСТ 1412

Серый чугун маркируют по ГОСТ 1412 буквами СЧ и числом, равным минимальному пределу прочности на растяжение в кгс/мм² (примерно в десятках МПа):

• СЧ10 это ферритный чугун с $\sigma_в \ge 100$ МПа, для слабонагруженных деталей (крышки, плиты).
• СЧ15, СЧ20 это феррито-перлитные чугуны общего назначения (корпуса, кронштейны).
• СЧ25, СЧ30 это в основном перлитные чугуны для ответственных деталей (блоки цилиндров, станины).
• СЧ35 это высокопрочные перлитные (легированные, модифицированные) для нагруженных деталей.

То есть в марке СЧ20 число 20 означает не процент углерода и не твёрдость, а $\sigma_в \approx 200$ МПа. Чтобы поднять прочность серого чугуна без смены формы графита на шаровидную, применяют модифицирование (ввод ферросилиция перед заливкой измельчает графит) и термообработку. О режимах нагрева и охлаждения отливок есть отдельный материал по термообработке чугуна.

Где применяют серый чугун

Серый чугун выбирают там, где нужны жёсткость, виброгашение, износостойкость и дешёвое массовое литьё при отсутствии ударных и растягивающих нагрузок:

• станины и стойки станков, корпуса редукторов (демпфирование вибраций);
• блоки цилиндров, головки, гильзы двигателей (износостойкость, литейность);
• корпуса насосов, арматура, трубы (литейность, коррозионная стойкость в массе);
• тормозные диски и колодки, маховики (теплоёмкость, работа на сжатие).

Частые ошибки

• Путать серый чугун с белым. Серый имеет свободный графит и серый излом; белый имеет связанный цементит, белый излом и высокую хрупкую твёрдость, режется только шлифовкой.
• Считать число в марке процентом углерода. В СЧ20 это предел прочности около 200 МПа, а углерода там около 3 процентов.
• Нагружать серый чугун на растяжение и удар. Пластинчатый графит делает его хрупким; деталь надо ставить под сжатие.
• Игнорировать толщину стенки. В толстом сечении графит грубеет и прочность той же марки падает.
• Думать, что серый и высокопрочный чугун это одно. Различие именно в форме графита: пластинчатый против шаровидного.

FAQ

Чем серый чугун отличается от высокопрочного? Химия близка, разница в форме графита. В сером он пластинчатый (надрезы, хрупкость), в высокопрочном шаровидный за счёт модифицирования магнием, что даёт пластичность и высокую прочность на растяжение.

Почему серый чугун хрупкий, но широко применяется? Пластинчатый графит концентрирует напряжения и убивает пластичность, зато даёт демпфирование, износостойкость, лёгкую обработку и дешёвое литьё. Если деталь работает на сжатие, хрупкость не критична.

Что означают цифры в марке СЧ20? Число это минимальный предел прочности при растяжении в кгс/мм², то есть СЧ20 это примерно 200 МПа. Это не углерод и не твёрдость.

Коротко

Серый чугун это железоуглеродистый литейный сплав, в котором углерод выделен в виде пластинчатого графита внутри ферритной, феррито-перлитной или перлитной матрицы. Матрица задаёт прочность и твёрдость, а пластинчатый графит работает как сеть надрезов: он гасит вибрации и облегчает обработку, но делает чугун хрупким и слабым на растяжение, сильным на сжатие. Марки по ГОСТ 1412 (СЧ10 до СЧ35) кодируют предел прочности, а не углерод.