Чугун с шаровидным графитом

Автор: Волков Семён

Дата публикации: 01 Сентября 2024

Основная особенность данного вида чугуна — это предельно маленькие, практически сферические включения графита. Такая форма включает наименьшее отношение поверхности к объему, что минимально ослабляет рабочее сечение отливки. Более того, сферические включения графита не оказывают такого интенсивного надрезающего воздействия на металлическую основу, как пластинчатые включения, и способствуют снижению концентрации напряжений вокруг этих включений.

Второй ключевой особенностью чугуна с шаровидным графитом является возможность широкого изменения структуры металлической основы. Подбирая соответствующий состав исходного чугуна, применяя правильные технологии производства и методы термической обработки, можно достигать различной структуры металлической матрицы (перлитной, перлито-ферритной, феррито-перлитной, ферритной, сорбитной, мартенситной, аустенитной), что, в свою очередь, определяет его физические, прочностные, эксплуатационные и технологические свойства.

Различные характеристики упомянутых свойств могут быть достигнуты в зависимости от строения металлической матрицы. Так, перлитная структура отличается высоким уровнем прочности при растяжении и относительно низкими показателями удлинения. Чугун с перлитной структурой демонстрирует высокую износостойкость. В то время как ферритная структура обладает высокими показателями удлинения и несколько сниженной прочностью при растяжении.

Шаровидные включения графита и возможность существенно изменять структуру металлической основы позволили чугуну достичь весьма высоких механических и эксплуатационных характеристик, ранее недоступных для любого вида литого чугуна.

Чугун с шаровидным графитом демонстрирует высокие пределы прочности при растяжении, сжатии и изгибе, чёткий предел текучести, значительное удлинение в литом состоянии и большое удлинение после отжига, имеет достаточно высокую ударную вязкость после термообработки и прочие характеристики. Он также показывает хорошие литейные свойства (хорошую жидкотекучесть, малую линейную усадку, низкую склонность к образованию горячих трещин и так далее), легко поддается механической обработке, может быть сварен, использоваться для исправления литейных дефектов, автогенной резке и так далее. В эксплуатации данный материал также положителен — он обладает высокой износостойкостью, хорошими антифрикционными качествами, высокой жаростойкостью (при легировании алюминием или кремнием).

Указанные положительные качества чугуна с шаровидным графитом дают возможность использовать его для производства важных деталей, что способствует улучшению их качества, надежности и долговечности машин и механизмов.

Конструкционные характеристики. Физические характеристики. Из-за присутствия графита плотность чугуна значительно ниже (примерно на 8—10%), чем у углеродистой стали.

Если в структуре чугуна с шаровидным графитом отсутствует свободный цементит, его плотность будет аналогична плотности обычного серого чугуна с пластинчатым графитом. При наличии цементита плотность чугуна увеличивается и приближается к плотности белого чугуна. При комнатной температуре плотность чугуна составляет 7,1—7,4 г/см³, обычно ее значение принимают равным 7,2 г/см³.

Плотность чугуна варьируется в зависимости от содержания магния, углерода и кремния (см. таблицу ниже), а также от структуры металлической основы.

Рекомендуемый химический состав чугуна с шаровидным графитом

Содержание элементов в %

Титан начинает негативно воздействовать на формирование шаровидного графита уже при концентрации 0,002%. Если содержание титана в чугуне составляет 0,1—0,15%, графит выделяется преимущественно в компактных формах, а при уровне 0,3—0,4% — в виде пластин.

Свинец. При содержании свинца в чугуне на уровне 0,009%, он мешает сфероидизации графита, а при концентрации 0,013% его влияние на процесс становится весьма значительным.

Сурьма начинает отрицательно влиять на показатели удлинения уже при уровне содержания 0,004%, однако при концентрации 0,026% она не препятствует формированию шаровидного графита.

Висмут при уровне 0,003% заметно замедляет сфероидизацию графита, а при содержании 0,005% — полностью исключает образование шаровидного графита.

Когда доля олова составляет 0,05%, это мешает формированию сфероидального графита, но способствует образованию перлитной структуры и увеличению прочности на разрыв. Если же содержание олова повышается до 0,1—0,2%, механические характеристики чугуна резко ухудшаются; поэтому максимально допустимое количество олова в чугуне — 0,05%.

Мышьяк в объёме до 0,09% не влияет на формирование шаровидного графита. При доле мышьяка 0,125% в чугуне начинает появляться графит компактной формы.

Медь в содержании более 2% препятствует образованию шаровидного графита и снижает механические параметры чугуна. При наличии никеля позволяется увеличить содержание меди в чугуне.

Присутствие алюминия свыше 0,2% мешает формированию сфероидального графита и ухудшает механические качества чугуна. При уровне алюминия 0,34% в чугуне, графит имеет компактную форму с некоторым количеством неправильных сфероидов. Негативное влияние таких примесей в чугуне можно нейтрализовать добавлением церия.

Для полной нейтрализации отрицательного воздействия вышеуказанных элементов, в состав чугуна добавляют церий, остальной уровень которого должен быть не менее 0,005%.

Литейные характеристики чугуна с шаровидным графитом значительно отличаются от свойств углеродистой стали, чугуна с пластинчатым графитом и ковкого чугуна.

Жидкотекучесть чугуна весьма хорошая и не уступает чугуну с пластинчатым графитом в этом аспекте.

Среди всех железоуглеродистых сплавов, чугун выделяется превосходной способностью к жидкотекучести, что даёт возможность отливать из него тонкостенные детали с ажурными поверхностями, отливка которых из стали сопряжена с большими трудностями. К тому же, высокая жидкотекучесть чугуна позволяет получать отливки без усадочных раковин, усадочной пористости, газовых раковин и других литейных дефектов.

Жидкотекучесть чугуна главным образом определяется температурными условиями. С увеличением температуры жидкотекучесть чугуна возрастает (рис. 10).

На жидкотекучесть чугуна влияет и его состав. Минимальная жидкотекучесть характерна для чугуна доэвтектического состава. По мере роста углеродного эквивалента жидкотекучесть чугуна повышается. Максимальную жидкотекучесть имеет чугун заэвтектического состава (С_э — 4,7%).

Когда чугун остывает в форме, происходит его усадка. Итогом этого процесса могут стать раковины, пористость, возникновение горячих и холодных трещин, литейные напряжения, а также несоответствие фактических размеров отливок чертежным. Особенно сильно усадочные раковины проявляются в эвтектическом чугуне, тогда как при доэвтектическом составе более характерной является усадочная пористость.

Для предотвращения данных дефектов важно правильно подбирать состав чугуна и разрабатывать технологический процесс производства отливок. Необходимые меры включают создание направленного затвердевания, установку прибылей и другие технологии, обеспечивающие производство качественных отливок.

Отличительной чертой чугуна является его значительное пред-усадочное расширение, что существенно снижает вероятность образования горячих трещин в отливках.

Общая величина линейной усадки чугуна с шаровидным графитом почти не отличается от линейной усадки чугуна с пластинчатым графитом. Поэтому модели и стержневые ящики производят, используя те же усадочные масштабы, что и для серого чугуна. Величина затрудненной линейной усадки, принимаемая во внимание при изготовлении моделей, для чугуна с шаровидным графитом составляет 0,7—1,0% в зависимости от степени торможения предусадочного расширения и до-перлитной части усадки.

Литейные напряжения в отливках формируются из-за неравномерного охлаждения различных частей или сечений отливки и неодинаковой степени торможения их линейной усадки. Величина этих напряжений в чугунных отливках с шаровидным графитом значительно превышает напряжения в сером чугуне с пластинчатым графитом. Это связано главным образом с тем, что чугун с шаровидным графитом обладает более высоким модулем упругости и сниженной теплопроводностью по сравнению с серым чугуном.

Остаточные литейные напряжения появляются в отливках после перехода чугуна из зоны пластических в область упругих деформаций.

Если после перехода в область упругих деформаций отсутствует температурный градиент в массивных и тонких частях отливки или по ее сечению, то остаточные напряжения не образуются. Однако создать такие условия практически невозможно.

Остаточные напряжения, появившись в отливке, с течением времени изменяются за счет протекания пластических деформаций. Переход упругих деформаций в пластические ведет к снижению уровня литейных напряжений. Это используется для уменьшения литейных напряжений в отливках посредством термической обработки до температуры перехода упругих деформаций в пластические. Чем выше температура нагрева отливки, тем полнее осуществляется переход упругих деформаций в пластические и тем значительнее снижение напряжений, при условии, что последующее охлаждение происходит медленно и равномерно, исключая появление новых напряжений. Для снятия литейных напряжений в чугунных отливках максимальная температура нагрева не должна превышать 600°C, так как при более высоких температурах в чугуне могут происходить структурные изменения, способные повлиять на его свойства.

При максимальной температуре выдержка осуществляется в течение 2—8 часов в зависимости от толщины стенок отливки; охлаждение отливок производится со скоростью 30° C/час, чтобы предотвратить возникновение новых напряжений.

Обрабатываемость чугуна определяется его прочностью и твердостью, которые зависят от структуры металлической основы. Чугун с ферритной структурой характеризуется самой низкой прочностью, относительно низкой твердостью и наилучшей обрабатываемостью.

Для сравнения, чугун с перлитной структурой металлической основы обладает большей прочностью и твердостью, и несколько худшими обработочными свойствами. Стойкость резцов при точении ферритного чугуна в два раза выше, чем при точении перлитного чугуна.

При механической обработке высокопрочного чугуна с шаровидным графитом усилие резания на 50—60% выше, чем при обработке обычного серого чугуна с пластинчатым графитом той же твердости.

При наличии карбидов в чугуне его обрабатываемость резко ухудшается.

Скорость резания чугуна с ферритной структурой металлической основы достигает 200—300 м/мин. Чистота обработанной поверхности выше, чем у серого чугуна с пластинчатым графитом, и достигает 7-го класса.

Обрабатываемость чугуна с шаровидным графитом при эквивалентной прочности или твердости лучше, чем серого чугуна и стали. Скорости резания при его обработке могут быть на 25% выше.

Результаты исследования стойкости резцов при точении чугуна показали, что в чугуне с перлитной структурой, полученной в литом состоянии и после нормализации, разница в обрабатываемости незначительна.

При обработке чугуна рациональнее использовать минералокерамические резцы на высоких скоростях резания, а твердосплавные резцы (марок CI, СЗ и С8) — на низких.

Самую высокую стойкость при точении ферритного чугуна демонстрируют твердосплавные резцы, у которых и₃₀ = 136 м/мин. Для твердосплавных резцов СЗ и минералокерамических резцов 01 эти показатели составляют 104 и 119 м/мин соответственно.

Минералокерамические резцы рекомендуется использовать при точении ферритного чугуна только при скоростях резания больше 150 м/мин.

Для всех инструментальных материалов стойкость резцов при точении ферритного чугуна заметно выше (до 2 раз), чем при обработке чугуна с шаровидным графитом, имеющего перлитную структуру.

Чугун с шаровидным графитом по своим сварочным характеристикам ближе к углеродистой стали, чем серый чугун с пластинчатым графитом. Это его важное свойство эффективно используется как для исправления литейных дефектов в отливках, так и для соединения частей изделий, изготовленных из чугуна с шаровидным графитом, либо из чугуна с шаровидным графитом и углеродистой стали.

Для сварки чугуна с шаровидным графитом применяются дуговая сварка с использованием железоникелевых и специальных чугунных электродов, а также газовая сварка как с подогревом, так и без подогрева деталей.

При сварке без подогрева деталей применяются железоникелевые электроды ЦЧ-3 следующего состава (в %): 0,15 С; 50—60 Ni, 0,15 Si; 0,1—0,3 Mn, 0,035 S и 0,045 P. Покрытие таких электродов включает 35% доломита, 25% плавикового шпата, 10% черного графита и 30% ферросилиция (Si 75).

Для сварки высокопрочного чугуна со сталью без предварительного нагрева применяются электроды ЦЧ-4, изготовленные из проволоки СВ-08 с покрытием, включающим 6% мрамора, 16% плавикового шпата, 70% феррованадия, 4% ферросилиция (Си 75), 4% поташа и 30% жидкого натриевого стекла (проценты указаны по весу сухой смеси).

Сварка высокопрочного чугуна электродами ЦЧ-4 осуществляется на постоянном токе при прямой полярности или на переменном токе. Эти электроды ЦЧ-4 обеспечивают высокое качество обработки сварных швов.

При сварке с использованием газа и чугунных присадочных прутков применяется следующий состав (в %): 3,0—3,5 C; 2,7—3,5 Si; 0,45 Mn; 0,07 P; 0,05 Cr; 0,07—0,14 Mg. Увеличенное содержание магния в прутках позволяет поддерживать его уровень в сварном шве не ниже 0,035%, что способствует образованию шаровидного графита и, соответственно, высоких механических характеристик у сварного шва.

Чугун с шаровидным графитом используется в промышленности как новая конструкционная мате рия, а также как заменитель углеродистой стали, ковкого и серого чугуна с пластинчатым графитом.

Области использования чугуна с шаровидным графитом определяются его высокими конструкционными, эксплуатационными и технологическими характеристиками, а также хорошим сочетанием этих свойств во многих случаях.

Ключевой характеристикой чугуна является его использование для производства как мелких деталей весом в несколько сотен граммов (например, поршневые кольца), так и очень крупных деталей весом до 150 тонн в одной отливке (например, шаботы ковочных молотов, станины и рамы прессов и прокатных станов); как деталей с толстыми стенками (до 1000 мм), так и деталей с тонкими стенками (3—5 мм). Эти детали могут использоваться как в литом состоянии, так и после соответствующей термической обработки.

Примером использования чугуна с шаровидным графитом вместо стальных поковок служат коленчатые валы для двигателей крупных дизельных автомобилей и тракторов. Коленчатые валы, изготовленные из чугуна с шаровидным графитом, не только дешевле стальных кованых, но и обладают лучшими эксплуатационными характеристиками (их износостойкость выше, чем у стальных кованых валов).

Чугун с шаровидным графитом активно применяется для замены стального литья. Обладая аналогичными характеристиками по пределу прочности при растяжении, как у стали, этот чугун демонстрирует более высокие показатели по пределу текучести, что делает его подходящим для изготовления ответственных деталей.

Кроме того, данный материал превосходит сталь по эксплуатационным свойствам: у него выше износостойкость, улучшенные антифрикционные и антикоррозионные свойства, а также повышенная жаростойкость.

Замене стального литья литьем из высокопрочного чугуна способствует также то, что высокопрочный чугун, обладая аналогичными механическими характеристиками, отличается намного лучшими литейными свойствами, включая более высокую жидкотекучесть и меньшую склонность к образованию горячих трещин. Отличная жидкотекучесть чугуна позволяет использовать его для заливки тонкостенных деталей, что при использовании стали представляет значительные трудности.

Низкая склонность чугуна к образованию горячих трещин значительно упрощает процесс производства отливок и существенно снижает количество брака по данному виду дефектов.

Более низкая температура плавления чугуна значительно облегчает процесс плавки, так как не требуются огнеупорные материалы с высокой жаростойкостью для печей и формовочных материалов.

Более подробно о применении чугуна с шаровидным графитом и других типов чугуна можно прочитать в статье "Применение чугуна".