Где применяется высокопрочный чугун

ВЧШГ — высокопрочный чугун с шаровидным графитом

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом или ВЧШГ – это конструкционный материал, обладающий высокими прочностными свойствами и хорошими эксплуатационными характеристиками. Как известно, в чугунах форма зерна графита оказывает определяющее влияние на прочностные характеристики материала. В высокопрочном чугуне ВЧШГ графитные включения имеют шаровидную форму*. Вследствие чего ВЧШГ по механическим свойствам значительно превосходит серый чугун и успешно конкурирует со сталью.

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом выгодно отличается от стали хорошими литейными свойствами (высокой жидкотекучестью, малой склонностью к образованию горячих трещин, меньшей усадкой и т.д.), относительной простотой процесса выплавки и меньшей стоимостью.

*Шаровидный графит также называют сфероидальным или глобулярным графитом.

Из истории высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ВЧШГ)

В 1943 году на Съезде Американской Ассоциации Литейщиков (AFS) J.W. Bolton фантазировал на тему управления формой графита в сером чугуне. Несколько недель спустя американец Keith Dwight Millis в исследовательской лаборатории «International Nickel Company» (INCO) сделал следующее открытие: при добавлении магния в расплав чугуна в ковше, в отливке получается не пластинчатый графит, а графит практически идеальной шаровидной формы.

Исходя из вышесказанного можно фактически считать годом рождения высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ВЧШГ) 1943 год. Наши источники [1] называют днём рождения высокопрочного 7 мая 1948 года, когда состоялся съезд американских литейщиков в Филадельфии и фирмой «International Nickel Company» было сделано публичное заявление о получении высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.

Однако авторы [2] официальным днём рождения высокопрочного чугуна с шаровидным графитом склонны считать всё-таки более позднюю дату, а именно 25 октября 1949 года, когда Кейтом Д. Миллисом был получен патент на высокопрочный чугун с шаровидным графитом (ВЧШГ) за номером 2485760 (Cast ferrous alloy).

В тех же годах (1948-1949) в Киеве и Москве начинает активно развиваться это направление: создаются научные школы по разработке технологий получения ВЧШГ и изучению свойств высокопрочных чугунов.

Необходимо отметить, что российский стандарт на высокопрочный чугун, ГОСТ 7293-85, несмотря на название «Чугун с шаровидным графитом для отливок» распространяет своё действие как на высокопрочный чугун с шаровидным графитом (ВЧШГ), так и на высокопрочный чугун с вермикулярным графитом (ВЧВГ).

Свойства высокопрочного чугуна

Свойства высокопрочных чугунов весьма многообразны, однако отличительной особенностью таких чугунов является сочетание хороших литейных свойств и высоких прочностных характеристик. К свойствам высокопрочного чугуна относятся также: хорошая обработка резанием, высокая пластичность, низкая чувствительность к концентраторам напряжения, устойчивость к циклическим нагрузкам.

Литейные свойства высокопрочного чугуна, в частности ВЧШГ:

• высокая жидкотекучесть,
• малая склонность к образованию горячих трещин,
• малая усадка.

Требования к механическим свойствам высокопрочного чугуна регламентированы стандартом ГОСТ 7293-85 (СТ СЭВ 4558-84).

Применение высокопрочного чугуна

Из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом изготавливают отливки развесом от десятых долей килограмма до нескольких десятков тонн. Свойства ВЧШГ очень разнообразны, поэтому высокопрочный чугун применяется:

• взамен серого чугуна — для удлинения срока службы отливок (изложниц, прокатных валков, поршней, поршневых колец и др.);
• взамен стали — с целью упрощения и удешевления производства, уменьшения количества металла и рационализации конструкции отливок (коленчатых валов, траверс, шестерен и др.);
• взамен цветных сплавов — целью сокращения расхода дефицитных металлов и уменьшения стоимости машин.

Наряду с конструкционными высокопрочными чугунами применяются высокопрочные чугуны со специальными свойствами: жаростойкий и ростоустойчивый (например, см. Нирезист), стойкий в различных агрессивных средах, антифрикционный высокопрочный чугун с низким коэффициентом трения и т.д.

Самая известная на сегодняшний день область применения высокопрочного чугуна — это производство труб из ВЧШГ.

Получение высокопрочного чугуна

Так как рост производства отливок из ВЧШГ обусловлен исключительно благоприятным сочетанием физико-механических, эксплуатационных и механических свойств этого материала, а также экономическими соображениями, объём производства и потребления отливок из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом непрерывно увеличивается.

Получение в структуре чугуна шаровидной формы графита основано на раздельной или совместной обработке жидкого чугуна магнием, РЗМ, кальцием и другими присадками, содержащими в том или ином количестве указанные (сфероидизирующие графит) вещества, присадками.

Наиболее распространённым в мировой практике способом получения высокопрочного чугуна является магниевый процесс, основанный на введении в расплав металлического магния, магниевых лигатур и комплексных модификаторов, содержащих магний.

По теории и практике применения высокопрочного чугуна при изготовлении отливок опубликовано очень большое количество работ, как нашими, так и зарубежными учёными. Равно как и по исследованию механизмов получения высокопрочных чугунов. В качестве примера подобных работ предлагаем ознакомиться с перечнем литературы в настоящем обзоре (см. ниже), а также с разделом Литература сайта modificator.ru.

Несмотря на обилие трудов на эту тему, до сих пор дискуссионными остаются такие важные вопросы, как оптимальный состав модификатора, условия и технологии модифицирования, механизм образования графита, режимы термообработки и другие.

Где применяется высокопрочный чугун

Высокопрочными называют чугуны, в которых графит имеет шаровидную форму. Их получают модифицированием магнием, церием, иттрием, которые вводят в жидкий чугун в количестве 0,02-0,08%. По структуре металлической основы высокопрочный чугун может быть ферритным (допускается до 20% перлита) или перлитным (допускается до 20% феррита). Шаровидный графит является более слабым концентратором напряжений, чем пластинчатый графит, поэтому меньше снижает механические свойства чугуна (рис.8.). Высокопрочный чугун обладает более высокой прочностью и некоторой пластичностью.

Маркируют высокопрочные чугуны по ГОСТ 7293-85 буквами ВЧ и двузначным числом, показывающим минимальное значение предела прочности на растяжение в десятках мегапаскалей. Например, высокопрочный чугун ВЧ 40 имеет временное сопротивление при растяжении 400 MПa, относительное удлинение — не менее 10%, твердость НВ = 1400-2200 МПа, структура феррито-перлитная. Маркировка по предшествующему ГОСТу 7293-79 предусматривала дополнительное указание относительного удлинения в процентах, например, ВЧ 40-10.

Обычный состав высокопрочного чугуна: 2,7-3,8%С; 1,6-2,7%Si; 0,2-0,7%Мn; £ 0,02%S; £ 0,1%Р.

Из высокопрочных чугунов изготавливают прокатные валки, кузнечно-прессовое оборудование, корпуса паровых турбин, коленчатые валы и другие ответственные детали, работающие при высоких циклических нагрузках и в условиях изнашивания.

Рис. 8. Микроструктура высокопрочного чугуна на ферритной (а), феррито-перлитной (б) и перлитной (в) основе.

Ковкими называют чугуны, в которых графит имеет хлопьевидную форму. Их получают путем специального графитизирующего отжига (томления) отливок из белых доэвтектических чугунов. Отливки загружают в специальные ящики, засыпают песком или стальными стружками для защиты от окисления и производят нагрев и охлаждение по схеме (рис.9). При температуре 950 -1000°С происходит графитизация эвтектического и вторичного цементита (превращение метастабильного цементита в стабильный графит и аустенит). При второй выдержке при температуре 720 — 740°С графитизируется цементит образовавшегося перлита (иногда вместо выдержки проводят медленное охлаждение от 770°С до 700°С в течение 30 часов, при этом происходит кристаллизация по стабильной диаграмме с выделением углерода в свободном состоянии). В результате продолжительного отжига весь углерод выделяется в свободном состоянии.

Обычный состав ковкого чугуна 2,4-2,8 %С; 0,8-1,4%Si; ≤1% Мп; ≤0,1%S; ≤ 0,2 % Р. Структура — ферритная или феррито-перлитная (рис.10).

Отсутствие литейных напряжений, снятых во время отжига, благоприятная форма и изолированность графитных включений обуславливают высокие механические свойства ковких чугунов.

Маркируют ковкие чугуны по ГОСТ 1215-79 буквами КЧ и двумя числами, первое из которых — минимальный предел прочности на растяжение в десятках мегапаскалей, а второе — относительное удлинение в %. Например, чугун КЧ 45-6 имеет временное сопротивление при растяжении 450 МПа, относительное удлинение δ=6%, НВ=2400МПа и структуру — феррит+перлит.

Рис. 9. Схема отжига белого чугуна на ковкий чугун.

Из ковкого чугуна изготавливают детали высокой прочности, работающие в тяжелых условиях износа, способные воспринимать ударные и знакопеременные нагрузки, в том числе клапаны, муфты, картеры редукторов, коленчатые валы и др.

Рис.10. Микроструктура ковкого чугуна на ферритной (а) феррито-перлитной (б) основе.

Простые углеродистые стали далеко не всегда удовлетворяют требованиям техники. В промышленности широко применяются легированные стали, которые обладают высокими механическими или особыми физическими и химическими свойствами, приобретаемыми после соответствующей термической обработки. Легированными называются стали, в которые для получения требуемых свойств специально добавляются определенные количества необходимых элементов. Для легирования стали применяют хром, никель, марганец, кремний, вольфрам, ванадий, молибден и другие.

Изучая влияние легирующих элементов на свойства стали, важно знать взаимодействие легирующего элемента с железом и углеродом, а также влияние легирующих элементов на полиморфизм железа и превращения в стали при термической обработке.

Влияние элементов на полиморфизм.

Все элементы, которые растворяются в железе, влияют на температурный интервал существования его полиморфных модификаций.

Большинство элементов либо расширяют область существования γ-модификации (рис. 2.1а), либо расширяют область существования α -модификации ( рис.2.1б).

Из схематических диаграмм состояния железо — легирующий элемент ( рис.2.1) следует, что при содержании марганца, никеля свыше определенного количества (c) (рис.2.1а) γ-состояние существует как стабильное от температуры плавления до комнатной температуры. Такие сплавы на основе железа называются аустенитными. При содержании ванадия, молибдена, кремния и других элементов свыше определенного значения (d) устойчивым при всех температурах является α-состояние ( рис.2.1б). Такие сплавы на основе железа называются ферритными. Аустенитные и ферритные сплавы не имеют превращений при нагревании и охлаждении.

Рис. 11. Схема диаграмм состояния железо — легирующий элемент.

Распределение легирующих элементов в сталях.

В промышленных легированных сталях легирующие элементы могут:

находиться в свободном состоянии: свинец, серебро, медь (если ее не более 1%) не образуют соединения и не растворяются в железе;

образовывать интерметаллические соединения с железом или между собой при большом содержании легирующих элементов, встречаются, в основном, в высоколегированных сталях;

образовывать окислы, сульфиды и другие неметаллические включения — элементы, имеющие большее сродство к кислороду, чем железо. В процессе производства стали такие элементы (например, Mn, Si, Al), введенные в последний момент плавки, раскисляют сталь, отнимая кислород у железа. Количество окислов, сульфидов и других неметаллических включений в обычных промышленных сталях невелико и зависит от метода ведения плавки;

растворяться в цементите или образовывать самостоятельные карбидные фазы. Карбидообразующими элементами могут быть элементы, имеющие большее, чем железо, сродство к углероду (элементы, расположенные в периодической системе элементов левее железа): Ti, V, Cr, Mn, Zr, Nb, Mo, Tc, Hf, Ta, W, Re. Указанные элементы, кроме того, что они образуют карбиды, растворяются в железе. Следовательно, они в известной пропорции распределяются между этими двумя фазами;

растворяться в железе — большинство легирующих элементов. Элементы, расположенные в периодической системе правее железа (Сu, Ni, Сo и др.) образуют только растворы с железом и не входят в карбиды.

Таким образом, легирующие элементы преимущественно растворяются в основных фазах железоуглеродистых сплавов — феррите и аустените, а также цементите или образуют специальные карбиды.

Влияние легирующих элементов на феррит и аустенит.

Растворение легирующих элементов в α,g-железе происходит путем замещения атомов железа атомами этих элементов. Атомы легирующих элементов, отличаясь от атомов железа размерами и строением, создают в решетке напряжения, которые вызывают изменение ее периода. Изменение размеров α,g-решетки вызывает и изменение свойств феррита и аустенита. Искажение решетки приводит к затруднению движения дислокаций. Указанные факторы вызывают упрочнение называемое твердорастворным.

Для примера на рис.2.2 показано изменение механических свойств феррита (твердость, ударная вязкость) при растворении в нем различных элементов.

Рис. 12. Влияние легирующих элементов на свойства феррита а – твердость; б — ударная вязкость

Как видно из диаграмм, хром, молибден, вольфрам упрочняют феррит меньше, чем никель, кремний и марганец. Молибден вольфрам, марганец и кремний снижают вязкость феррита. Хром уменьшает вязкость значительно слабее перечисленных элементов, а никель не снижает вязкости феррита.

Важное значение имеет влияние элементов на порог хладноломкости, что характеризует склонность стали к хрупкому разрушению. Наличие хрома в железе способствует некоторому повышению порога хладноломкости, тогда как никель интенсивно снижает порог хладноломкости, уменьшая тем самым склонность железа к хрупким разрушениям.

Приведенные данные относятся к медленно охлажденным сплавам.

Карбидная фаза в легированных сталях.

В сталях карбиды образуются только металлами, расположенными в периодической системе элементов левее железа. Эти металлы имеют менее достроенную d-электронную полосу. Чем левее расположен в периодической системе карбидообразующий элемент, тем менее достроена его d-полоса. Вместе с тем, многочисленные опыты показывают, что, чем левее в периодической системе расположен элемент, тем более устойчив карбид.

В процессе карбидообразования углерод отдает свои валентные электроны на заполнение d-электронной полосы атома металла. Только металлы с d-электронной полосой, заполненной меньше, чем у железа, являются карбидообразующими; активность их как карбидообразователей тем сильнее и устойчивость образующихся карбидных фаз тем больше, чем менее достроена d-полоса у металлического атома. Фактически мы встречаемся в сталях лишь с карбидами шести видов:

Чугун с шаровидным графитом

Чугун с шаровидным графитом — это высокопрочный конструкционный материал, имеющий очень хорошие эксплуатационные характеристики. При плавке данного металла добавляется магний, благодаря чему в отливке графит получается не пластинчатый, а практически идеальной шаровидной формы. В итоге чугун с шаровидным графитом отличается лучшими качествами, чем серый и может кинуть вызов стали при сравнении некоторых свойств.

Процесс выплавки сплава довольно простой. Пожалуй, самый распространенный метод получения такого чугуна это — магниевый процесс. Технология заключается в том, что в расплав металлического магния добавляются магниевые лигатуры различных комплексных модификаторов, содержащих магний. Свойства чугуна с шаровидным графитом разнообразные, но особо его выделяет хорошее сочетание литейных свойств и высокая прочность. Данный материал очень пластичен, благодаря чему хорошо обрабатывается резанием. Достаточно устойчив к переменным нагрузкам и отличается низкой чувствительностью к концентраторам напряжения. Структура металлической основы может быть ферритной или перлитной. В ферритной допускается до 20% включений перлита, а в перлитной — 20%феррита.

Марки чугуна с шаровидным графитом

Технология маркировки чугунов с шаровидным графитом имеет определенный ГОСТом порядок и выполняется с применением буквенного и числового обозначения. Так маркировка «ВЧ» означает высокопрочный чугун, после него указываются цифры, информирующие о временном сопротивлении при растяжении, данные предоставляются в Мпа, для получения полного числа необходимо указываемый показатель умножить на 10.

Условное обозначение может выглядеть так-ВЧ50 ГОСТ7293-85, цифра 50 показывает временное сопротивление при растяжении 500Мпа, ВЧ45-временное сопротивление 450 Мпа, ВЧ80-временное сопротивление 800Мпа, и т.д. Перечисленные марки чугуна с шаровидным графитом хорошо обрабатывается резанием, плавится при более низкой температуре и обладает отличными литейными и механическими свойствами, лишь немногим хуже стали. Марки чугуна с шаровидным графитом ВЧ100-4-3, ВЧ110-6-5 имеют предел прочности 100-120кгс/мм 2 согласно ГОСТу7293-70. Такие марки используют при отливке коленчатых валов, гильз цилиндров, распределительных валов и других испытывающих сильную нагрузку деталей. Высокие марки ВЧ80, 100 можно получить с помощью микролегирования с последующей нормализацией отливки.

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом

Благодаря тому, что высокопрочный чугун с шаровидным графитом имеет не пластинчатые графитные включения, а шаровидные, сплав отличают высокие показатели прочности, износоустойчивости, хорошие механические и литейные свойства. В силу этого, высокопрочный чугун с шаровидным графитом очень успешно применяется для изготовления ответственных деталей в машиностроении – коленчатые и распределительные валы, поршни дизельных двигателей, коромысла клапанов, различные детали сцепления и другие конструкции, работающие под высокими разнообразными нагрузками. Для изготовления отливок применяют следующие марки: ВЧ35, ВЧ40, ВЧ45, ВЧ50, ВЧ60, ВЧ70, ВЧ80, ВЧ100. Также применяется для изготовления высокопрочных труб водоснабжения, а также газовых и нефтепроводов. Трубы из этого материала довольно высокопрочные, долговечные и характеризуются замечательными эксплуатационными свойствами. По своим характеристикам высокопрочный чугун с шаровидным графитом практически полностью соответствует чугуну с шаровидным графитом.

Оставьте свой комментарий Отменить ответ

Низколегированный чугун — это металл, содержащий целый ряд легирующих компонентов,…

Применение высокопрочных чугунов

ЧУГУН С ВЕРМИКУЛЯРНЫМ ГРАФИТОМ

Разновидностью высокопрочных чугунов являются вермикулярные, в которых графит имеет форму коротких изогнутых прутков (червеобразную форму). Для получения этих чугунов при выплавке в расплав вводят не только магний, но и редкоземельные металлы. В вермикулярных чугунах около 70 % частиц графита имеют короткую, утолщенную форму, а остальные 30% – глобулярную.

Марки чугунов с вермиркулярным графитом содержат буквы ЧВГ (Ч – чу­гун, ВГ – вермикулярный графит) и числовое минимальное значение σ_в, МПа ·10 -1 (ГОСТ 28394–89).

Чугуны с вермикулярным графитом занимают промежуточное положение между серыми и высокопрочными. Они имеют повышенную прочность, теплопроводность, малую чувствительность механических свойств к толщине отливки и скорости охлаждения (в отличие от серых), меньшую линейную усадку – по сравнению с высокопрочными. В связи с этим чугуны с вермикулярным графитом являются перспективными для использования взамен серых чугунов при изготовлении ответственных и крупногабаритных отливок, работающих в условиях динамических и термодинамических нагрузок (табл. 3.16).

Применение чугунов с вермикулярным графитом

Ковкие чугуны

В ковких чугунах частицы графита имеют хлопьевидную форму (рис. 3.16). Такая форма, по сравнению с пластинчатой, в меньшей степени снижает уровень прочности (при растяжении); поэтому ковкие чугуны имеют более высокие и прочность, и пластичность, чем серые.

Химический состав ковких чугунов отличается от серых и высокопрочных меньшим содержанием кремния и повышенным – марганца. Это способствует «отбеливанию» чугунов при кристаллизации. В литом состоянии ковкие чугуны являются «белыми», т.е. углерод в них присутствует в виде цементита. Для получения углерода в виде графита отливки подвергают длительному отжигу (до 30 часов), в процессе которого цементит разлагается и получается графит. Протеканию реакции Fe₃C→3Fe + C (графит) способствует присутствие графитизатора-кремния в количестве 1 — 1,6 %.

Рис. 3.18. Схемы отжигов ковких чугунов, в результате

которых получается структура (П+Г) (а) и (Ф+Г) (б)

Отжиг ковких чугунов проводится по одной из двух схем нагрева (рис. 2.53):

1. Одна стадия нагрева: температура – несколько ниже эвтектической: 950 – 1000ºС, выдержка 10 – 15 часов; последующее непрерывное медленное охлаждение.

2. Две стадии нагрева: на первой стадии температура нагрева 950ºС, на второй стадии она близка к эвтектоидной 720 – 740ºС, выдержка 25 – 30 ч.

При первой схеме происходит разложение «высокотемпературного» цементита, получившегося при эвтектическом превращении. Цементит, входящий в состав перлита, остается без изменения, не претерпевает графитизации. В результате такого отжига получается перлитный ковкий чугун с фазовым составом: П + Г.

При второй схеме отжига разлагается и «высокотемпературный» цементит, и цементит, входящий в состав перлита. В результате двухстадийного отжига получается ферритный ковкий чугун с фазовым составом: Ф + Г.

Длительные отжиги благоприятно влияют на структуру, практически полностью снимая литейные остаточные напряжения. Отсутствие этих напряжений, а также компактная форма графитовых включений обусловливают более высокую прочность ковких чугунов по сравнению с серыми (300 – 800 МПа) при удовлетворительном относительном удлинении (от 10 % в КЧ35-10 до 3 % в КЧ60-3). В то же время из-за длительного отжига ковкие чугуны мало технологичны и более дороги, чем серые.

Марки и применение. Ковкие чугуны маркируют буквами КЧ и двумя числами, соответствующими временному сопротивлению разрыву σ_в х 10 -1 МПа и относительному удлинению δ, % (ГОСТ 1215–79). Ковкие чугуны используют в автомобильном и сельскохозяйственном машиностроении (табл. 3.17).