Серый чугун , или серый чугун , — это тип чугуна , имеющий графитовую микроструктуру. Он назван в честь серого цвета образуемого им излома , который обусловлен наличием графита. [1] Это наиболее распространенный чугун и наиболее широко используемый литой материал по весу. [2]
Он используется для корпусов, где жесткость компонента важнее его прочности на разрыв , таких как блоки цилиндров двигателей внутреннего сгорания , корпуса насосов , корпуса клапанов, электрические коробки и декоративное литье . Высокая теплопроводность и удельная теплоемкость серого чугуна часто используются для изготовления чугунной посуды и роторов дисковых тормозов . [3]
Его прежнее широкое применение [ уточнить ] на тормозах грузовых поездов было значительно сокращено в Европейском Союзе из-за опасений по поводу шумового загрязнения . [4] [5] [6] [7] Например, Deutsche Bahn заменила тормоза из серого чугуна на 53 000 своих грузовых вагонов (85% своего парка) на более новые, более тихие модели к 2019 году — отчасти для соблюдения закона, вступившего в силу в декабре 2020 года. [8] [9] [10]
Типичный химический состав для получения графитовой микроструктуры составляет от 2,5 до 4,0% углерода и от 1 до 3% кремния по весу. Графит может занимать от 6 до 10% объема серого чугуна. Кремний важен для изготовления серого чугуна в отличие от белого чугуна , поскольку кремний является элементом, стабилизирующим графит в чугуне, что означает, что он помогает сплаву производить графит вместо карбидов железа ; при 3% кремния почти никакой углерод не удерживается в химической форме в виде карбида железа. Другим фактором, влияющим на графитизацию , является скорость затвердевания; чем медленнее скорость, тем больше времени требуется углероду для диффузии и накопления в графите. Умеренная скорость охлаждения образует более перлитную матрицу, в то время как быстрая скорость охлаждения образует более ферритную матрицу. Для достижения полностью ферритной матрицы сплав должен быть отожжен . [1] [11] Быстрое охлаждение частично или полностью подавляет графитизацию и приводит к образованию цементита , который называется белым чугуном . [12]
Графит принимает форму трехмерной чешуйки. В двух измерениях, как полированная поверхность, графитовые чешуйки выглядят как тонкие линии. Графит не имеет заметной прочности, поэтому их можно рассматривать как пустоты. Кончики чешуек действуют как уже существующие выемки, в которых концентрируются напряжения, и поэтому они ведут себя хрупко . [ 12] [13] Наличие графитовых чешуек делает серый чугун легко обрабатываемым, поскольку они имеют тенденцию легко растрескиваться поперек графитовых чешуек. Серый чугун также имеет очень хорошую демпфирующую способность, и поэтому его часто используют в качестве основания для креплений станков.
В Соединенных Штатах наиболее часто используемой классификацией для серого чугуна является стандарт ASTM International A48. [2] Он упорядочивает серый чугун по классам , которые соответствуют его минимальной прочности на растяжение в тысячах фунтов на квадратный дюйм (ksi); например, серый чугун класса 20 имеет минимальную прочность на растяжение 20 000 фунтов на квадратный дюйм (140 МПа). Класс 20 имеет высокий углеродный эквивалент и ферритную матрицу. Серые чугуны более высокой прочности, до класса 40, имеют более низкие углеродные эквиваленты и перлитную матрицу. Серый чугун выше класса 40 требует легирования для обеспечения твердорастворного упрочнения , а для модификации матрицы используется термическая обработка . Класс 80 является наивысшим доступным классом, но он чрезвычайно хрупкий. [12] ASTM A247 также обычно используется для описания структуры графита. Другие стандарты ASTM, которые имеют дело с серым чугуном, включают ASTM A126, ASTM A278 и ASTM A319. [2]
В автомобильной промышленности для обозначения марок вместо классов используется стандарт SAE International (SAE) SAE J431. Эти марки являются мерой отношения предела прочности к твердости по Бринеллю . [2] Изменение модуля упругости при растяжении различных марок является отражением процентного содержания графита в материале, поскольку такой материал не обладает ни прочностью, ни жесткостью, а пространство, занимаемое графитом, действует как пустота, тем самым создавая губчатый материал.
Серый чугун является распространенным конструкционным сплавом из-за его относительно низкой стоимости и хорошей обрабатываемости , которая является результатом того, что графит смазывает рез и разбивает стружку. Он также имеет хорошую стойкость к истиранию и износу , поскольку графитовые чешуйки самосмазываются. Графит также придает серому чугуну отличную демпфирующую способность, поскольку он поглощает энергию и преобразует ее в тепло. [3] Серый чугун нельзя обрабатывать (ковать, прессовать, прокатывать и т. д.) даже при температуре.
Серый чугун также испытывает меньшую усадку при затвердевании , чем другие чугуны, которые не образуют графитовую микроструктуру. Кремний способствует хорошей коррозионной стойкости и повышенной текучести при литье. [12] Серый чугун обычно считается легко свариваемым. [16] По сравнению с более современными железными сплавами, серый чугун имеет низкую прочность на разрыв и пластичность ; поэтому его ударопрочность и стойкость к ударам практически отсутствуют. [16]