Чугун с вермикулярным графитом (ЧВГ)

CGI

Чугун с вермикулярным графитом (ЧВГ) обладает высокими физико-механическими свойствами, которые обусловлены трехмерной вермикулярной формой графитовых включений, имеющих кораллоподобный вид.

Формирование ответвлений графита в ЧВГ

Рис. 1: Формирование ответвлений графита в ЧВГ

На первой стадии кристаллизации чугуна с вермикулярным графитом формируется графит шаровидной формы, который в начале эвтектической кристаллизации трансформируется в вермикулярный графит. Вырождение шаровидного графита происходит в результате формирования на его поверхности графитовых ответвлений, растущих в результате контакта с жидким металлом. Лепестки вермикулярного графита состоят из мелких кристаллитов разнообразной пространственной ориентации и формы, часто с округленными формами (рис. 1), что обеспечивает хорошие адгезионные свойства между графитом и чугунной матрицей. Такая форма графита препятствует возникновению и распространению трещин и, как следствие, является причиной высоких механических свойств и теплопроводности.

Чугун с вермикулярным графитом, (в Европе данный чугун называют «Чугун с компактным графитом», сокращенно CGI) обладает редким сочетанием высоких показателей специфических свойств (прочность, пластичность и теплопроводность), необходимых для  производства деталей в автомобилестроении, работающих в условиях теплосмен и значительного перепада температур, таких как: блоки цилиндров, головки блоков цилиндров дизельных и крупных бензиновых двигателей, к которым дополнительно предъявляются высокие требования по низкой  металлоемкости деталей, что вызывает заметный интерес к данному виду чугуна и стимулирует его широкое применение в автомобилестроени, тракторостроении, тепловозостроении, судостроении в первую очередь для производства тяжелонагруженных дизельных двигателей.

Шведская компания SuperCast (г. Катриненхольм) осуществила революционную разработку надежной технологии промышленного производства CGI (Compacted Graphite Iron – чугуна с вермикулярным графитом) в крупных промышленных объемах, что позволило совершить прорыв в автомобилестроении: создавать мощные дизельные двигатели, работающие при более высоких давлениях сгорания, одновременно значительно снижая выбросы вредных веществ в атмосферу. Примечательно, что вес и габариты двигателя из CGI ниже, чем равноценного из алюминиевого сплава. Технология SinterCast успешно используется для производства отливок из CGI, начиная от 2 кг до 17 т. Объем производства отливок из CGI в мире растет из года в год, в частности, согласно последнего отчета SinterCast: в третьем квартале (июль-сентябрь) 2016 года серийное производство лицензиантами из чугуна с вермикулярным графитом (седьмой квартал подряд) находится на уровне или превышает эквивалентный порог в 2 млн. условных двигателей» («один двигатель эквивалент» = 50 кг). Читать подробно

Стандарты

Технические характеристики чугуна с вермикулярным графитом для изготовления отливок, в Украине регламентируется ГОСТ 28394-89 «Чугун с вермикулярным графитом для отливок. Марки».

Маркировка

Условное обозначение марки включает: букву Ч — чугун; буквы ВГ — вермикулярный графит (форма графита) и цифровое отображение минимально допустимого значения временного сопротивления разрыву при растяжении в σB (в кгс/мм2). К примеру, ЧВГ 30 означает — чугун с вермикулярным графитом с пределом прочности на растяжение не ниже — 30 кг/мм2.

Механические свойства

Механические свойства материала отливок из чугуна с вермикулярным графитом в литом состоянии или после термической обработки должны удовлетворять требованиям ГОСТ 28394-89, приведенным в табл. 1.

Таблица 1: Механические свойства чугуна с вермикулярным графитом по ГОСТ 28394-89

Марка
чугуна
Временное сопротивление
разрыву при растяжении,
МПа (кг/мм2)
Условный предел
текучести, МПа
(кг/мм2)
Относительное
удлинение,
%
Твердость
по Бринеллю,
НВ
Не менее
ЧВГ 30 300 (30) 240 (24) 3,0 130-180
ЧВГ 35 350 (35) 260 (26) 2,0 140-190
ЧВГ 40 400 (40) 320 (32) 1,5 170-220
ЧВГ 45 450 (45) 380 (38) 0,8 190-250

Примечание. Относительное удлинение и твердость по Бринеллю определяют при наличии специальных требований в нормативно-технической документации. По требованию потребителя допускается устанавливать другие значения твердости.

Для определения механических свойств чугуна применяют отдельно отлитые заготовки, такие же как и для ВЧШГ. Определение механических свойств проводят по ГОСТ 1497 на одном образце диаметром 14 мм с расчетной длиной 70 мм. Определение твердости проводят по ГОСТ 27208.

Справочные данные по ГОСТ 28394-89 о влиянии приведенной толщины стенки на механические свойства материала отливки приведены в табл. 2.

Таблица 2: Влияние приведенной толщины стенки отливки на механические свойства ЧВГ

Характеристика показателя Приведенная толщина стенки, мм
10 20 30 50 100
Временное сопротивление при растяжении, МПа 450 420 400 380 350
Относительное удлинение, % 3,8 3,5 3,0 2,8 2,5
Твердость по Бринеллю, НВ 190 180 170 160 160

Химический состав

Рекомендуемый химический состав чугуна с вермикулярным графитом согласно ГОСТ 28394-89, приведен в табл. 3.

Таблица 3: Химический состав ЧВГ по ГОСТ 28394-89

Массовая
доля
элементов,
%
Не менее
C Si Mn P S Cr Cu Mg/РЗМ
ЧВГ 30 3,5-3,8 2,2-3,0 0,2-0,6 <0,08 <0,025 <0,15 0,015-0,028
0,10-0,20*
ЧВГ 35 3,5-3,8 2,2-3,0 0,2-0,6 <0,08 <0,025 <0,15 0,02-0,028
0,10-0,20*
ЧВГ 40 3,1-3,5 2,0-2,5 0,4-1,0 <0,08 <0,025 <0,20 0,4-0,6 0,02-0,028
0,10-0,20*
ЧВГ 45** 3,1-3,5 2,0-2,5 0,8-1,2 <0,05 <0,025 <0,30 0,8-1,0 0,02-0,028
0,10-0,20*

* — Цифры в числителе соответствуют содержанию остаточного магния в чугуне, в знаменателе — остаточному содержанию суммы редкоземельных элементов (РЗМ).
** — Для получения износостойкого и теплостойкого перлитного ЧВГ допускается легирование чугуна марки ЧВГ 45 0,8 — 1,2% никеля и 0,2 — 0,4% молибдена.

Микроструктура ЧВГ

Специфическое сочетание высоких технологических и эксплуатационных свойств достижимо только при содержании в структуре чугуна не менее 80-90% вермикулярного графита, при этом остальное — чугун с шаровидным графитом, чугун с пластинчатым графитом — не допускается. Форма графита в структуре чугуна определяется по ГОСТ 3443.

Физико-механические свойства

Уникальное сочетание физико-механических свойств ЧВГ согласно ГОСТ 28394-89 представлено в табл. 4.

Таблица 4: Физико-механические свойства чугуна с вермикулярным графитом

Механические свойства, не менее Марки
ЧВГ 30 ЧВГ 35 ЧВГ 40 ЧВГ 45
Временное сопротивление при сжатит, не менее, МПа 450 700 1000 1400
Ударная вязкость, KCV, Дж/м2 10 10
Предел выносливости, не менее, МПа 140 150 170 190
Модуль упругости (при 20’C) Е*104 13-14 13-14,5 14,5-16 14-17
Коэффициент интенсивности напряжения, не менее, МПа 50 53,5 50,5 50,5
Циклическая вязкость (логарифмический декремент затухания вибрации), не менее, МПа 4-7 4-7
Плотность, г/см3 7,0 7,1 7,2 7,3
Теплопроводность, Вт/м К 0,49-0,51 0,47-0,49 0,37-0,41 0,37-0,41
Коэффициент линейного расширения (20-100’C), 10-6/’C 12-14 12-14 12-14 12-14
Электросопротивление, МкОм/см 70-80 70-80 70-80
Магнитная проницаемость, gc/эрст 300-1500 300-1500 300-1500

Область применения

Рекомендации ГОСТ 28394-89 по применению отливок из ЧВГ приведены в табл. 5.

Таблица 5: Области применения чугуна с вермикулярным графитом

Марка
чугуна
Область применения Примеры отливок
ЧШГ 30
ЧШГ 35
ЧШГ 40
Детали общего машиностроения (взамен серого чугуна), работающие при повышенных циклических механических нагрузках.
Детали двигателей внутреннего сгорания, работающих при переменных повышенных температурах и механических нагрузках: автомобилестроение и тракторостроение, судостроение, дизелестроение, транспортное машиностроение, энергетическое машиностроение, металлургическое машиностроение
Базовые детали станков, кузнечно-прессового оборудования, корпусные детали и др.
Маслоприводы для тракторов, опорные детали, головки цилиндров, крепежные детали рам, бандажные кольца шестерен автомобилей повышенной грузоподъемности, тормозные рычаги тракторов, тормозные кронштейны, вентиляторная подушка, соединительные фланцы, крышки коробки передач, корпуса, крышки и головки цилидров, корпуса турбокомпрессоров, выхлопные патрубки, ступицы колес, балансиры, V-образные блоки 12-цилиндровых двигателей, блоки 6-цилиндровых двигателей.
Крышки и головки цилиндров мощных судовых и тепловозных двигателей.
Тормозные диски для высокоскоростных поездов, корпуса выпускных клапанов.
Корпуса газовых турбин, корпуса компрессоров.
Изложницы, поддоны, кокильная оснастка.
ЧШГ 40 Детали, работающие при значительных механических нагрузках, в условиях трения, износа, гидрокавитации, и при повышенных термоциклических нагрузках Корпуса винтовых передач, поршни и гильзы ДВС, корпуса гидроаппаратуры высокого давления, эксцентриковые зубчатые колеса и др.

Производители и поставщики

  • В настоящее время в Украине отсутствуют производители отливок из чугуна с вермикулярным графитом.
  • SuperCast — разработчик комплекса оборудования для автоматического управления технологическим процессом надежного производства CGI в крупных промышленных объемах

Литература

  1. Механические и технологические свойства металлов. Справочник. Бобылев А.В. М., «Металлургия», 1980. 296 с.
  2. Воздвиженский В.М. и др. Литейные сплавы и технология их плавки в машиностроении. — М.: Машиностроение, 1984. — 432 с., ил
  3. Могилев В.К., Лев О.И. Справочник литейщика. М. Машиностроение, 1988. — 272 с.: ил.
  4. Энциклопедия неорганических материалов. В двух томах. К.: Высшая школа, 1977.
  5. ГОСТ 28394-89 «Чугун с вермикулярным графитом для отливок. Марки».
  6. Отливки из чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом /Захарченко Э.В., Левченко Ю.Н., Горенко В.Г., Вареник П.А.- Киев: Наук. думка, 1986.-248 с.
  7. Справочник по чугунному литью./Под ред. д-ра техн. наук Н.Г. Гиршовича.- Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1978.- 758 с., ил

Статьи по теме

Об авторе

Avatar
Олег Виноградов / https://on-v.com.ua/

Технический директор ООО «Полимер-инжиниринг», Агентства Литье ++, г. Киев, Украина; т.: +38 (096) 574-17-11; e-mail: v@on-v.com.ua