Серый чугун , или серый чугун , представляет собой разновидность чугуна , имеющую графитовую микроструктуру. Он назван в честь серого цвета образуемого им излома , что обусловлено наличием графита. [1] Это наиболее распространенный чугун и наиболее широко используемый литой материал в зависимости от веса. [2]
Он используется для корпусов, где жесткость компонента более важна, чем его прочность на растяжение , например, в блоках цилиндров двигателей внутреннего сгорания , корпусах насосов , корпусах клапанов, электрических коробках и декоративных отливках . Высокая теплопроводность и удельная теплоемкость серого чугуна часто используются для изготовления чугунной посуды и роторов дисковых тормозов . [3]
Его прежнее широкое использование [ когда? ] на тормоза в грузовых поездах значительно сократилось в Европейском Союзе из - за опасений по поводу шумового загрязнения . [4] [5] [6] [7] Deutsche Bahn, например, к 2019 году заменила тормоза из серого железа на 53 000 своих грузовых вагонов (85% их парка) на более новые, более тихие модели — отчасти для того, чтобы соответствовать закону, который вступило 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 производства серого чугуна, в отличие от белого чугуна , поскольку кремний является элементом , стабилизирующим графит в чугуне, а это означает, что он помогает сплаву производить графит вместо карбидов железа ; при 3% кремния углерод почти не содержится в химической форме в виде карбида железа. Другим фактором, влияющим на графитацию, является скорость затвердевания; чем медленнее скорость, тем больше времени потребуется углероду на диффузию и накопление в графит. Умеренная скорость охлаждения формирует более перлитную матрицу, тогда как высокая скорость охлаждения формирует более ферритную матрицу. Чтобы получить полностью ферритную матрицу, сплав необходимо отжечь . [1] [11] Быстрое охлаждение частично или полностью подавляет графитацию и приводит к образованию цементита , который называется белым чугуном . [12]
Графит принимает форму трехмерной чешуйки. В двух измерениях на полированной поверхности чешуйки графита выглядят как тонкие линии. Графит не обладает заметной прочностью, 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 чешуек графита делает серый чугун легко обрабатываемым, поскольку они имеют тенденцию легко растрескиваться через чешуйки графита. Серый чугун также обладает очень хорошей демпфирующей способностью и поэтому часто используется в качестве основы для крепления станков.
В Соединенных Штатах наиболее часто используемой классификацией серого чугуна является международный стандарт ASTM A48. [2] В соответствии с этим серый чугун распределяется по классам , которые соответствуют его минимальному пределу прочности на разрыв в тысячах фунтов на квадратный дюйм (тысячи фунтов на квадратный дюйм); например, серый чугун класса 20 имеет минимальную прочность на разрыв 20 000 фунтов на квадратный дюйм (140 МПа). Класс 20 имеет высокий углеродный эквивалент и ферритовую матрицу. Серые чугуны более высокой прочности, до класса 40, имеют более низкие эквиваленты углерода и перлитную матрицу. Серый чугун класса выше 40 требует легирования для обеспечения упрочнения твердого раствора , а для модификации матрицы применяют термообработку . Класс 80 — высший доступный класс, но он чрезвычайно хрупок. [12] ASTM A247 также широко используется для описания структуры графита. Другие стандарты ASTM, касающиеся серого чугуна, включают ASTM A126, ASTM A278 и ASTM A319. [2]
В автомобильной промышленности для обозначения марок вместо классов используется международный стандарт SAE (SAE) SAE J431. Эти марки являются мерой отношения прочности на разрыв к твердости по Бринеллю . [2] Изменение модуля упругости при растяжении различных марок отражает процентное содержание графита в материале, поскольку такой материал не имеет ни прочности, ни жесткости, а пространство, занимаемое графитом, действует как пустота, создавая тем самым губчатый материал. .
Серый чугун является распространенным конструкционным сплавом из-за его относительно низкой стоимости и хорошей обрабатываемости , что обусловлено тем, что графит смазывает рез и разбивает стружку. Он также обладает хорошей устойчивостью к истиранию и износу , поскольку чешуйки графита самосмазываются. Графит также придает серому чугуну превосходную демпфирующую способность , поскольку он поглощает энергию и преобразует ее в тепло. [3] Серое железо 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 графитовой микроструктуры. Кремний обеспечивает хорошую коррозионную стойкость и повышенную текучесть 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 ; следовательно, его ударопрочность и ударопрочность практически отсутствуют. [16]