Высокопрочный чугун
Высокопрочный чугун отличается тем, что его высокие механические свойства обусловленные шаровидным графитом, который в меньшей степени, чем пластинчатый графит в СЧ, ослабляет рабочее сечение матрицы и, что еще важнее, не оказывает на нее сильного надрезывающего действия, вследствие чего вокруг сфероидов графита в меньшей степени создаются концентрации напряжений. Кроме того, некоторые марки этого чугуна имеют также высокую износостойкость и хорошие коррозионную стойкость, теплостойкость, жаростойкость, хладостойкость, антифрикционные свойства и обрабатываемость и могут подвергаться сварке и автогенной резке.
Весьма важно также, что высокопрочный чугун имеет хорошие литейные свойства: высокую, малую величину, незначительную склонность к образованию горячих трещин. Вместе с тем его склонность к образованию усадочных раковин и литейных напряжений выше, чем у серого чугуна, и находится на уровне стали или ковкого чугуна.
Наиболее важным для механических свойств высокопрочного чугуна является получение графита правильной шаровидной формы, хотя в некоторых случаях допустим графит смешанной формы. Правильная шаровидная форма графита зависит от ряда факторов (состав металла, условия модифицирования, шихтовые материалы и прочие условия плавки), но в первую очередь она связана с содержанием остаточного Mg, Се или других сфероидизаторов.
Значительные трудности представляет получение самой высшей марки чугуна - ВЧ 120-4. Можно указать на целесообразность ведения плавки (и при этом преимущественно в электропечах) с применением шихт с высоким содержанием стали или выплавки чисто синтетического чугуна с добавочным легированием молибденом й количестве 0,2 - 0,4% и вводом при модифицировании комплексных модификаторов.
Высокопрочный чугун по составу является одним из основных факторов, определяющих механические свойства ВЧШГ.
Углерод в высокопрочном чугуне, в противоположность СЧ, не надо поддерживать; на низком уровне для получения высоких механических свойств. Наоборот, он обычно выдерживается для высоких марок в пределах 3,2 -3,6%, что облегчает процесс получения металла в вагранках.
Кремний оказывает значительное влияние как на структуру, так и на механические свойства ВЧШГ, и практически регулирование количества феррита в ВЧШГ в сыром состоянии осуществляют подбором содержания кремния в металле. Марганец оказывает на структуру ВЧШГ влияние, противоположное влиянию кремния, уменьшая количество феррита и увеличивая количество перлита. Поэтому для получения высокой пластичности содержание марганца не должно превышать 0,4%.
Фосфор оказывает весьма существенное влияние на структуру и свойства ВЧШГ, образуя ФЭ и понижая удлинение и ударную вязкость поэтому его содержание не должно превосходить 0,1% и даже, если возможно, должно быть ниже, особенно в толстостенных отливках, где широко развивается его ликвация. Содержание серы в исходном жидком чугуне до модифицирования должно находиться на низком уровне (не выше 0,02% или даже ниже), так как она затрудняет процесс модифицирования и получение ШГ и понижает механические свойства ВЧШГ вследствие образования сфероидизаторами сульфидов.
Медь в количестве более 2,0% препятствует образованию ШГ, а при наличии Ti > 0,04% даже при 1% Си образуется ПГ. Кроме того, Си уже в количестве 1,0% - 1,5% приводит к образованию перлита, повышая прочность чугуна и понижая его пластичность. Алюминий, подобно меди, оказывает вредное влияние на ВЧШГ, способствуя образованию ПГ уже при содержании 0,2% и особенно при 0,25 - 0,6% и медленном охлаждении отливок.
Никель способствует увеличению количества перлита в высокопрочном, как и в сером чугуне. Никель и молибден в ВЧШГ при совместном легировании способствуют образованию бейнитной и мартенситной структур в сыром состоянии. Никель и марганец в ВЧШГ при совместном легировании (до 2 и 3,5% соответственно) позволяют получать конструкционный чугун с повышенными значениями износостойкости и кавитационной стойкости.
Магний и церий, применяющиеся как сфероидизаторы, обычно остаются в ВЧШГ в количестве не менее 0,03 и 0,02% соответственно, в противном случае графит кристаллизуется в шаровидной форме только частично, вследствие чего механические свойства высокопрочного чугуна понижаются.
Физические свойства ВЧШГ представлены в табл. 1.2 .
Таблица 1.22. Физические свойства ВЧШГ.
Износостойкость является положительной особенностью ВЧШГ поэтому этот высокопрочный чугун часто применяется для изготовления деталей, работающих в условиях абразивного износа и трения при высоких удельных давлениях и затрудненной смазке. Наиболее благоприятной в этом случае матрицей нелегированного ВЧШГ является перлитная, характеризующаяся меньшим износом и меньшим коэффициентом трения.
К числу важных свойств нелегированного или слаболегированного ВЧШГ относятся, кроме высоких механических, антифрикционные свойства, проявляющиеся при работе деталей в условиях трения в подшипниках. Материал, работающий в таких условиях, помимо высокой износостойкости, должен обладать рядом других свойств, к числу которых относятся: низкий коэффициент трения, высокая теплопроводность, препятствующая повышению температуры на поверхности трения, хорошая обрабатываемость, хорошая прирабатываемость, способность удерживать смазку в виде непрерывной пленки, отсутствие заедания и т. п.
По герметичности ВЧШГ значительно превосходит СЧ вследствие отсутствия графитной пористости и поэтому является благоприятным материалом для отливок, работающих под большим давлением (400 кгс/см2 и более). Это позволяет использовать его для производства деталей дизелей, насосов, гидравлических и газовых установок.
Коррозионная стойкость высокопрочного чугуна весьма высока: не ниже, чем у СЧ, и значительно выше, чем у углеродистой стали. При коррозии высокопрочного чугуна очень быстро образуется поверхностный окисленный слой, который прочно сцеплен с матрицей и препятствует дальнейшему развитию коррозии, в отличие от стали, на поверхности которой образуется легко отслаивающиеся слой, не препятствующий дальнейшему распространению коррозии. Особенно велика коррозионная стойкость ВЧШГ в атмосферных условиях, что наиболее заметно при воздействии морской атмосферы, когда высокопрочный чугун превосходит даже медистую сталь. Кавитационная стойкость ВЧШГ значительно выше, чем у СЧ, причем при перлитной структуре она больше, чем при ферритной.
Жаростойкость высокопрочного чугуна выше, чем у СЧ, вследствие меньшего окисления металла по границам разобщенных включений графита и уменьшения роста, что особенно заметно при высоких температурах. При температурах до 400 - 500° С явление роста в высокопрочном чугуне практически не наблюдается, а механические свойства чугуна при этих температурах снижаются незначительно.
Литейные свойства ВЧШГ значительно отличаются от соответствующих свойств других чугунов.
Высокопрочный чугун по усадке значительно отличается от усадки СЧ, что является основной причиной большой склонности его к образованию усадочных дефектов, хотя по усадке в жидком состоянии ВЧШГ не отличается от СЧ. Общая усадка ВЧШГ практически меньше, чем у СЧ, но разница эта сравнительно невелика и изготовление моделей и стержневых ящиков часто производится с применением тех же усадочных масштабов, что и для СЧ.
Благодаря высоким показателям и хорошему сочетанию прочностных, эксплуатационных, физических и технологических свойств ВЧШГ находит очень широкое применение во всех отраслях промышленности. Как показывает зарубежный и отечественный опыт, им во многих случаях заменяют стальное литье, стальные поковки, ковкий и серый чугуны.
Преимуществом ВЧШГ перед сталью является меньшая плотность, а значит, и меньшая масса, которая еще более снижается в связи с тем, что из этого чугуна можно отливать более тонкостенные детали благодаря его более высокой жидкотекучести.
Важным преимуществом в этом отношении является также более низкая температура плавления (примерно на 300° С), что облегчает и удешевляет процесс плавки. Кроме того, значительно упрощается и удешевляется изготовление литейных форм, так как не требуются дорогие формовочные материалы, специальная керамика для литниковых систем и т. п.
Большим преимуществом ВЧШГ являются также его более благоприятные литейные свойства, в том числе меньшая литейная усадка и соответственно меньшая склонность к образованию горячих трещин, а также бблыпая циклическая вязкость и более высокие значения служебных свойств (износостойкость и антифрикционные свойства, жаростойкость, обрабатываемость и др.), как это было указано выше.
Высокие значения механических свойств ВЧШГ дают также возможность заменять им серый чугун, причем возможны уменьшение толщин стенок и снижение массы отливок.
По всем указанным причинам ВЧШГ применяется в настоящее время для большой номенклатуры деталей ответственного назначения массой от нескольких килограмм до нескольких тонн для работы при высоких статических, ударных и циклических нагрузках в условиях износа, а также и при воздействии агрессивных сред и высоких температур.