Чугун с шаровидным графитом

       

        ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ


        Для чугуна с шаровидным графитом характерны прежде всего значительная пластичность и вязкость, которые обусловлены шаровидной формой включе­ний графита, получаемой в литом состоянии. Именно поэтому в большинстве зарубежных стандартов ЧШГ называется пла­стичным чугуном (ductile iron). Вместе с тем чугун с шаровидным графитом далее (ЧШГ)  имеет и вы­сокую прочность, в связи с чем в отечественном стандарте (ГОСТ 7293—85 «Чугун с шаровидным графитом для отливок. Марки») условное обозначение марки включает буквы ВЧ, что означает «высокопрочный чугун».
ЧШГ имеют широкий диапазон механических и эксплуата­ционных свойств. Ферритные ЧШГ, характеризующиеся наивыс­шей среди чугунов пластичностью и вязкостью, обеспечивают литым деталям и конструкциям хладостойкость и ударостойкость, хоро­шую свариваемость и обрабатываемость резанием. Перлитные ЧШГ обладают высокой сопротивляемостью к статическим и циклическим нагрузкам, износостойкостью и задиростойкостью. В бейнитных ЧШГ сочетается максимальная прочность с достаточно вы­сокой пластичностью, что обеспечивает высокую сопротивляе­мость износу, усталости, контактную выносливость. Основные составляющие матрицы бейнитных ЧШГ — бейнит и остаточный
аустенит (метастабильная фаза). Под воздействием обработки резанием, давлением или эксплуатационных нагрузок, вызываю­щих наклеп (нагартовку), остаточный аустенит трансформиру­ется в мартенсит, что повышает твердость и износостойкость поверхности независимо от степени износа детали.
Все марки ЧШГ имеют высокий модуль упругости при зна­чительно большей, по сравнению со сталями, демпфирующей способности. Например, благодаря тому, что модуль упругости ЧШГ на 60 % выше, чем у ЧПГ, существенно снижена масса валков бумагоделательных машин.
Предел текучести бейнитных ЧШГ в 2,5—3 раза выше, чем у обычных конструкционных сталей.
По способности выдерживать наиболее высокие механиче­ские нагрузки при наименьших деформациях и массе ЧШГ зна­чительно превосходит КЧ, сталь и особенно СЧ. Масса литых деталей из ЧШГ может быть на 5—10% ниже по сравнению с КЧ и литой сталью, на 10—20 % меньше по сравнению с стальными поковками и штамповками.
ЧШГ успешно заменяет КЧ, СЧ и углеродистую сталь в де­талях, работающих в условиях тепловых ударов, термоустало­сти (при максимальных температурах цикла до 400—600 °С), отрицательных температур (до -100 °С), умеренно агрессивных газовых и жидких сред (кислотных,солевых,щелочных),высо­ких давлений, знакопеременных динамических нагрузок. Благо­приятные литейные свойства (более низкая по сравнению с КЧ и сталью склонность к усадочным дефектам при более высокой жидкотекучести) позволяют изготавливать из ЧШГ высококаче­ственные отливки с минимальной толщиной стенок 2,5—3 мм. Сталь и КЧ имеют значительно больше ограничений по тол­щине стенок отливок (минимальная толщина стенок в случае литой стали должна быть не ниже 8 мм, а максимальная в слу­чае КЧ — не может превышать 60 мм). Успешно апробирован­ная максимальная толщина стенок отливок из ЧШГ составляет 1000 мм, а масса отливок — от нескольких десятков граммов (например, поршневые кольца) до 200 т (станины, цилиндры, поршни, контейнеры и другие крупногабаритные детали ответ­ственного назначения для тяжелого и атомноэнергетического машиностроения, станкостроения, металлургии).
Высокая герметичность в сочетании с ударостойкостью и коррозионностойкостью обеспечили ЧШГ эффективное использование как наиболее экономичного материала напорных труб и фитингов, причем свыше половины мирового производства ЧШГ расходу­ется именно на эти цели.
Характерные типы микроструктуры ЧШГ показаны на рисунке ниже.  Методы количественного определения составляющих структуры ЧШГ в отливках регламентированы ГОСТ 3443—87.



        Рисунок.  Характерные микроструктуры ЧШГ:
а — ферритная, X100; б — перлитно-ферритная («бычий глаз») X200; в — мартенситная, ХЗ00; г — ферритно-бейнитная с оторочками верхнего бейнита вокруг ШГ (твердый глаз). ХЗ00
 

        МАРКИ ЧУГУНА И ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА


        В ГОСТ 7293—85 предусмотрены восемь марок ЧШГ. Марка ЧШГ определяется показателями временного сопротив­ления разрыву при растяжении (Ϭв) и условного предела теку­чести (Ϭ0,2). Условное обозначение марки включает буквы ВЧ — высокопрочный чугун и цифровое обозначение минимального значения Ϭв в Мпа*I0-1.
Механические свойства ЧШГ должны быть обеспечены в ли­том состоянии или после термической обработки. Показатели относительного удлинения, твердости и ударной вязкости опре­деляют только при наличии требований в нормативно-технической документации.
Марка
чугуна
Ϭв, МПа Ϭ0,2 МПа Марка
чугуна
Ϭв, МПа Ϭ0,2МПа
(не менее) (не менее)
ВЧ 35 350 220 ВЧ 60 600 370
ВЧ 40 400 250 ВЧ 70 700 420
ВЧ 45 450 310 ВЧ 80 800 480
ВЧ 50 500 320 ВЧ 100 1000 700

ЧШГ марки ВЧ35 должен иметь среднее значение ударной вязкости KCU не менее 210 и 150 кДж/м2 при температурах 20 °С и —40 °С соответственно, а минимальное значение KCU должно быть не ниже 170 и ПО кДж/м2 при тех же темпе­ратурах.
В ГОСТ 7293—85 оговорено, что по согласованию между изготовителем и потребителем допускается устанавливать зна­чения относительного удлинения, твердости и ударной вязко­сти, отличающиеся от нормированных величин.
В некоторых зарубежных стандартах, например SAEJ434c (США), для всех марок ЧШГ регламентируют только твердость и тип металлической основы. Стандарты отдельных зарубежных фирм регламентируют такой уровень механических свойств ЧШГ, который значительно превышает требования мно­гих национальных стандартов. Например, в стандарте фирмы International Mechanite Metal (Великобритания) предусмотрен мартенситный ЧШГ марки SH 1000 с показателями Ϭв=1000
 
ПОКАЗАТЕЛИ ОТНОСИТЕЛЬНОГО УДЛИНЕНИЯ И ТВЕРДОСТИ ЧШГ
 
 
Марка
чугуна
Ϭ, %
не менее
НВ Марка
чугуна
Ϭ,%
не менее
НВ
ВЧ 35 22 140-170 ВЧ 60 3 192-277
ВЧ 40 15 140-202 ВЧ 70 2 228- 302
ВЧ 45 10 140-225 ВЧ 80 2 248-351
ВЧ 50 7 153-245 ВЧ 100 2 270 -360

Механические свойства стали, ковкого чугуна и чугуна с шаровидным графитом.
 
Показатели Сталь 35Л КЧ 45-6 ВЧ 45
Пределы прочности; МПа:      
при изгибе 600 660 850
при сжатии 490 500 1500
при кручении 370 440 440
Ϭ в, МПа 500 450 450
Пределы текучести, МПа:      
при растяжении 280 250 310
при изгибе 330 390 620
при сжатии 280 280 1100
при кручении 210 170 320
Пределы усталости, МПа:      
при растяжении 140 80 160
при изгибе 200 135 260
при сжатии 140 80 530
при кручении 120 120 180
Ϭ, % 15 6 10
Е, ГПа 200 175—180 165—170
НВ, ГПа 1,57—1,90 1,75-2,07 1,40-2,25
 
 
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРИ ПОВЫШЕННЫХ И ПОНИЖЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ
Модуль упругости ферритных, ферритно-перлитных и перлитных ЧШГ относительно слабо снижается с повышением температуры до 500—550 °С.
Механические свойства при растяжении и сжатии слабо за­висят от температуры в диапазоне от +20 до 400 °С, а при бо­лее высоких температурах существенно снижаются . Перлитные ЧШГ по сравнению с ферритными несколько быстрее разупрочняются, особенно при повышении температуры свыше 600 °С.
Относительное удлинение несколько снижается с ростом тем­пературы до ~600 °С, а затем резко (в 2—4 раза в зависимо­сти от структурного состояния и химического состава ЧШГ) возрастает .
Твердость ЧШГ, так же как и прочность, существенно сни­жается при температурах выше 400 °С . Однако в интервале 800—1000 °С (0,76—0,93 Тпл) твердость почти не зависит от температуры и составляет НВ =120—230.
Длительная прочность. Сопротивляемость ползучести ферритных ЧШГ ниже чем перлитных при температурах до ~425 °С .
       
        Атмосферная коррозия.


        Потери от коррозии чугунов не превы­шают 120 мкм в год даже в наиболее агрессивных промышлен­ных атмосферах, что обусловлено защитными свойствами про­дуктов коррозии на поверхности чугунных деталей . По коррозионной стойкости в атмосфере ЧШГ значительно превосхо­дят стали, в том числе легированные медью (таблица ниже). В ус­ловиях морской атмосферы ЧШГ несколько уступают ЧПГ.
Водная коррозия. Чугуны обладают очень высокой сопротив­ляемостью водной коррозии. Аэрирование вызывает усиление корро­зии даже в дистиллированной воде .
При скоростях движения морской воды до 5,7 м/с различие в коррозионной стойкости ЧПГ и ЧШГ невелико. Ферритные ЧШГ менее стойкие по сравнению с перлитными ЧШГ в потоке морской воды, движущемся со скоростью 8,2 м/с.
Ввиду относительно низкой коррозионной стойкости ЧПГ в морской воде его широко заменяют на ЧШГ для таких дета­лей морского назначения, как станины машин, корпуса клапа­нов, сосуды, трубопроводы танкеров и т. д.

СКОРОСТЬ АТМОСФЕРНОЙ КОРРОЗИИ ЧШГ И ДРУГИХ СПЛАВОВ
 
Сплав Скорость коррозия в
различны атмосферах ,мг/дм2/день
сельская городская промышленная   морская
Сталь мягкая - - 25 - - - - 15-19 - - -
Сталь 10 - - 12 - - 24 24-32 - 36 27
ЧПГ - - 14-21 - - - 32 11-12 - 6 -
Белый чугун - - 1-3 - - - 13 - - - -
Ферритный КЧ 6-7 33 - 21 49 10-19 - - 33-56 - 9-12
Перлитный КЧ 5 - - - - 11 - - - - 10
Ферритный ЧШГ 9 - - - - 12 - - - - 16
Перлитный ЧШГ 6 - - - - 13 - - - 9 10
 
        Коррозия в кислотах.
       
        Нелегированные чугуны с шаровидным графитом имеют низкую сопротивляемость коррозии в минеральных кислотах слабой и средней концентрации. Однако независимо от структуры мат­рицы они превосходят ЧПГ при работе в концентрированных кислотах. Ферритные ЧШГ имеют лучшую коррозионную стойкость по сравнению с перлитными ЧШГ.
Коррозия в щелочах. Коррозионная стойкость ЧПГ и ЧШГ в щелочах одинакова. ЧШГ склонны к трещинообразованию вследствие коррозионных напряжений в высокощелочных рас­творах в большей степени, чем ЧПГ. Добавка 3—5% Ni по­вышает сопротивляемость коррозии в щелочных растворах как ЧШГ, так и ЧПГ.
Коррозия в солевых растворах. Скорость коррозии нелегиро­ванных и никельсодержащих (1,5% Ni) ЧПГ и ЧШГ в 3,5 %-ном растворе хлорида натрия, насыщенного воздухом и движущемся со скоростью 5 м/мин, составляет 0,7—0,9 мм/год по данным семидневных испытаний .
 
        ПРИМЕНЕНИЕ

ЧШГ используется во многих областях техники взамен литой и кованой стали, серого и ковкого чугунов.
Центробежнолитые трубы составляют половину мирового тоннажа ЧШГ. Трубы из ЧШГ по механическим свойствам почти одинаковы со стальными, а по долговечности превышают последние в 3-8 раз в силу более высокой коррозионной стой­кости. Они используются в напорных трубопроводах для воды, нефти, разнообразных агрессивных жидких и газовых средах. Номенклатура труб из ЧШГ охватывает широкий диапазон их размеров: диаметр — от 50 до 2800 мм, длина — от 2000 до 8000 мм.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРИМЕНЕНИЮ ЧШГ В АВТОТРАКТОРНОМ И СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
Марка ЧШГ Заменяемый исход­ный материал Наименование деталей
ВЧ 60; ВЧ 70 Прокат стальной Распределительные и коленчатые валы карбюраторных двигателей малофорси­рованных дизелей, крышки и стаканы подшипников, коробок передач и валов отбора мощности, лапки свеклоубороч­ных комбайнов и т. п.
ВЧ 45; ВЧ 50 Сталь литая Корпуса редукторов, барабаны, крон­штейны, бугели, тормозные колодки, корпуса подшипников и муфты комбай­нов, упоры пружины, диски катков и т. п.
   
ВЧ 50 Серый чугун не­легированный Блок-картеры, головки цилиндров, крышки коренных подшипников, кар­теры маховиков, корпуса распределите­лей, коробок передач, задних мостов и муфт сцепления, детали турбин, насосов и дождевальных агрегатов, выхлопные коллекторы и т. п.
ВЧ 40 Ковкий чугун Ступицы колес автомобилей, кронштей­ны, корпуса дифференциалов автомоби­лей, бортовых редукторов комбайнов, рычаги, корпуса подшипников опоры и головки зерноуборочных комбайнов, дер­жатели, накладки, колпаки культива­торов
 
 
По данным фирмы Georg Fisher (Швейцария) при изготов­лении отливок напорных труб из ЧШГ вместо ЧПГ для транс­портировки жидкостей масса труб снижается на 30%. Номенклатура отливок из ЧШГ, освоенная в мировом авто­мобилестроении: коленчатые и распределительные валы; блоки цилиндров; кронштейны рессор, картера заднего моста, диффе­ренциала, делителя и т. п.; шатуны, тормозные барабаны; диски сцепления, маховики; выхлопные коллектора; крышки подшипника; ступицы; зубчатые колеса; поршни; поршневые кольца; корпуса турбин; сервопоршни; сервоцилиндры; кулаки заднего моста; поворотные шкворни; водила планетарного ме­ханизма конечной передачи; корпуса передней оси; рычаги по­воротного кулака.
ЧШГ — распространенный материал запорной и регули­рующей арматуры, работающей в газовой и жидких средах.