Высокопрочный чугун с шаровидным графитом (ВЧШГ)

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом обладает высокими физико-механическими свойствами, что обусловлено шаровидной формой графита. Такие образования графита в наименьшей степени ослабляют сечение отливки, придавая ей высокую прочность и пластичность. Механические свойства чугуна регламентируются  ГОСТ 7293-85 и представлены в табл. 1. ГОСТ включает восемь марок чугуна. Буквы ВЧ обозначают название чугуна – высокопрочный чугун, последующие цифры указывают на минимально допустимое значение предела прочности при растяжении в кгс/мм2. Прочностные и эксплуатационные характеристики материала отливок из ВЧШГ можно варьировать  в широком диапазоне не ухудшая литейных и техноло­гических показателей.

Таблица 1. Механические свойства чугуна в литом состоянии или после термической обработки

Марка чугуна Временное сопротивление при растяжении σВ, МПА (кгс/мм2) Условный предел текучести σ02, МПА (кгс/мм2) Относительное удлинение, δ, % Твердость по Бринеллю, НВ
не менее
ВЧ 35 350 (35) 220 (22) 22 140-170
ВЧ 40 400 (40) 250 (25) 15 140-202
ВЧ 45 450 (45) 310 (31) 10 140-225
ВЧ 50 500 (50) 320 (32) 7 153-245
ВЧ 60 600 (60) 370 (37) 3 192-277
ВЧ 70 700 (70) 420 (42) 2 228-302
ВЧ 80 800 (80) 480 (48) 2 248-351
ВЧ 100 1000 (100) 700 (70) 2 270-360
Механические свойства ВЧШГ в сравнении со сталью:
  • Предел прочности такой же или более.
  • Более высокое отношение предела текучести к пределу прочности – 0,65-0,80 (у стали – 0,55-0,60).
  • Высокая износостойкость.
  • Более высокая демфирующая способность.
  • Меньшая чувствительность к концентраторам напряжений.

По микроструктуре ВЧШГ подраз­деляют на ферритный, ферритоперлитный, перлитный, перлитоцементитоферритный и аустенптиый. Различают также высокопрочный чугун с трооститной,  трооститоферритной, мартенситной, перлитоцементитной и др. структурами. Ферритный и аустенитный чугуны отличаются высо­кими пластическими свойствами (отно­сительное удлинение 5—35%, удар­ная вязкость 2—20 кгс • м/см2). К аустенитным относятся чугуны номаг и нирезист с разным содер­жанием никеля. Высокие мех. свойства аустенитных чугунов не изменяются до температуры 600°С. Особенно перспектив­ны такие чугуны при эксплуатации в условиях низких температур (вплоть до температуры — 250°С). Перлитный и трооститный чугуны характеризуются высокой прочностью (предел проч­ности на растяжение 60—140 кгс/мм2) при относительно невысоких пласти­ческих свойствах (относительное удли­нение — 2,0—6%, ударная вяз­кость 2,0—6,0 кгс • м/см2). Получе­нию перлитной структуры способ­ствуют никель, медь, хром, марга­нец и олово. Чугун с перлитной и трооститной структурами отличает­ся высокой износостойкостью; чу­гун с трооститной и трооститоферритной структурами, получаемыми изо­термической закалкой. [1]

Грубо говоря: ВЧШГ обладает механическими свойствами стали (иногда превосходя их) и литейными свойствами серого чугуна (высокая жидкотекучесть, отсутствие склонности к образованию трещин и т.д.). Всё это даёт предпосылки для широкого использования отливок из ВЧШГ в промышленности. Так в частности,  срок службы металлургических изложниц из ВЧШГ в 1,5-2,5 раза выше изложниц из серого чугуна.

Интересен опыт чешского  предприятия «KASI», освоившего крупномасштабное (крупнейшее в Европе) производство люков смотровых колодцев из ВЧШГ на АФЛ HWS, при этом масса люка была снижена практически на 50%, по сравнению с люками из серого чугуна. Начиная с 80-х годов минувшего столетия московский завод «Водоприбор» также производит люки смотровых колодцев из ВЧШГ на кокильной АФЛ (с вертикальным разъёмом), используя синтетический чугун, масса люка также значительно снижена.

Из ВЧШГ производят детали прокатного и кузнечно-прессового оборудования; горнорудного и дробильно-размалывающего оборудования; детали турбин; корпуса редукторов; детали зубчатых передач и подъемно-транспортного машиностроения.

Меньший удельный вес и значительно более высокая жидкотекучесть ВЧШГ по сравнению со сталью, позволяет с высокой эффективностью использовать отливки из ВЧШГ в автомобилестроении взамен стальных отливок, что ведёт к снижению массы автомобиля и возрастанию его мощности. Из ВЧШГ производят коленчатые валы, шестерни, картеры и т.п.

Значительное место в производстве труб большого диаметра, работающих под высоким давлением, занимают центробежно литые трубы из ВЧШГ. Производство фитингов для метрополитена и туннелей из ВЧШГ позволило значительно снизить их массу.

Использование ЧШГ в станкостроении позволило конструировать сложные литые детали для станков и оборудования тяжелого машино­строения массой более 150 т (матрицедержатели машин инжекционного прессования, цилиндры и станины ковочных прессов, поршни и другие детали), снизить массу литых деталей с сохранением доста­точной жесткости. ЧШГ является идеальным материалом для множества ручных инструментов (гаечных ключей, струбцин, калиб­ров и т. д.). В деталях бумагоделательных машин ЧШГ обеспечивает значительный технико-экономический эффект (например, благодаря тому, что модуль упругости ЧШГ на 60 % выше по сравнению с ЧПГ, снижена масса нажимных и сушильных валков машин). ЧШГ — распространенный материал запорной и регулирующей арматуры, работающей в газовой и жидких средах (кислотных, соле­вых и щелочных). Например, за рубежом из ЧШГ была отлита партия шаровых вентильных заглушек для магистрального га­зопровода Сибирь — Западная Европа диаметром 1420 мм. Перво­начально эти заглушки производились из стальных поковок диаметром 2440 мм и массой 17 т каждая. [4]

Патент на высокопрочный чугун с шаровидным графитом за №2485760 от 25.10.1949 получил Кейт Д. Миллис. С пятидесятых годов минувшего столетия по всему миру началось  промышленное производство отливок из ВЧШГ. Первые места по объёмам производства отливок из ВЧШГ на протяжении последних лет делят между собой Япония и США, как наиболее развитые в технологическом плане страны. Сегодня в большинстве промышленно развитых стран объём производства отливок из ВЧШГ среди железоуглеродистых сплавов занимают второе место после серого чугуна.

Научная школа в области исследования ВЧШГ в Украине начала формироваться в середине шестидесятых годов минувшего столетия на базе Института проблем литья НАН УССР (ныне ФТИМС НАН Украины). Вопросами производства литья из ВЧШГ занимались в разное время такие видные учёные как: Волощенко М.В., Ващенко К.И., Горшков А.А., Сидлецкий О.Г., Шумихин В.С., Шейко А.А.,  Левченко Ю.Н., Литовка В.И. и многие другие.

Самое крупное массовое производство отливок из ВЧШГ методом внутриформенного модифицирования для автотракторного машиностроения было налажено семидесятых – восьмидесятых годах минувшего столетия на Купянском заводе «Центролит» (Харьковская обл.).  К сожалению, сегодня этот завод уже не существует.

Литература

  1. Энциклопедия неорганических материалов. В 2-х томах, том 1. Киев, «Высшая школа», 1977 г.
  2. Могилёв В.К., Лев О.И. Справочник литейщика. М.: Машиностроение, 1988. – 272 с.
  3. Справочник по чугунному литью./Под редакцией д.т.н. Н.Г. Гиршовича. – 3-е изд. перераб. и дополн. Л.: Машиностроение, 1978 – 758 с.
  4. Отливки из чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом/Захарченко Э.В., Левченко Ю.Н., Горенко В.Г., Вареник П.А. – Киев: Наукова думка, 1986 – 248 с.

Об авторе

  • Виноградов Олег Николаевич — технический директор ООО «Полимер-инжиниринг», г. Киев; e-mail: v@on-v.com.ua; т.: +38 (096) 574-17-11

 

Статьи по теме