Достоинства высокопрочного чугуна с шаровидным графитом

Стремительный рост производства высокопрочного чугуна с шаровидным графитом и высокий показатель расхода металла на практике свидетельствуют о выдающихся механических свойствах продукта.

Благодаря термическим обработкам, подобным аустемперингу (austempering), удаётся ещё более усилить свойства высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Неудивительно, что высокопрочный чугун с шаровидным графитом находит широкое применение в самых разных сферах народного хозяйства.

«Пластичное железо» позволяет изготавливать сложные детали методом литья, которые впоследствии легко обрабатываются до финишного состояния

После появления продукта — высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, был заменён целый ряд литейных изделий, ранее производимых из серого чугуна и ковкого чугуна. Один из ярких примеров трансформации производства:

коленчатые валы,
кулачковые валы.

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом получают обработкой серого чугуна церием или магнием. Более применяемым из этих компонентов является магний, который практически повсеместно используется для производства «пластичного железа» (ВЧШГ). Использование церия отмечается более ограниченным, так как церий является карбидообразующим элементом (объём карбида превышает 0,01%).

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом — история появления

Впервые об успешном производстве структур сфероидального графита в составе серых чугунов сообщила Британская исследовательская ассоциация. Информация появилась в 1948 году, когда проходил ежегодный конгресс Американского литейного общества.

Экспериментально серо-гипертонический чугун с церием добавлялся в виде мишметалла незадолго до начала процесса литья. Чуть позже исследователи Международной никелевой компании США нашли способ получения структуры сфероидального графита в литом состоянии путём введения одной из двух добавок в железо:

гиперэвтектической (с небольшим, но эффективным количеством магния),
магнийсодержащей (например, добавка никель-магниевого сплава).

Последний вариант оказался коммерчески жизнеспособным и в настоящее время универсально используется для производства высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.

Разница структурной составляющей: А – серого чугуна; В – ковкого («пластичного») чугуна; 1 – форма графита серого чугуна; 2 – форма графита ковкого пластичного чугуна

Однако механизм образования графитовых узелков до настоящего момента остаётся предметом серьёзных споров учёных. Различные исследовательские группы выдвигали различные теории, но ни одна из выдвигаемых теорий не получила всеобщего признания.

Как правило, высокопрочный чугун с шаровидным графитом производится путём окомкования серого чугуна. Соответственно, расплав серого железа в первую очередь обессеривается. Десульфурацию требуется проводить неизменно, а рекарбюризацию следует выполнять лишь в случае необходимости.

Когда базовое железо требуемого состава готово, структура соответствующим образом обрабатывают для сфероидизации. После этого проводят последующие инокуляции, расплав заливают в формы как можно быстрее, чтобы избежать эффекта выцветания.

Серый и высокопрочный чугун с шаровидным графитом — различия

Инженерное применение чугуна традиционно основывалось на серых (чешуйчато-графитовых) чугунах, обеспечивающих диапазон значений прочности на разрыв в диапазоне 150 — 400 Н/мм2, с рекомендуемым расчётным напряжением при растяжении.

В отличие от этого пластичные чугуны имеют предел прочности на разрыв в диапазоне 350 — 1500 Н/мм2 с хорошим удлинением и высокой ударной вязкостью. В настоящее время на долю таких продуктов приходится около 25% производства чугунных отливок, заменивших стальное литьё, ковку.

Пластичный чугун обеспечил производство уникальных деталей самого разного назначения, которые ранее производились посредством литья из стали или иным образом

Отсюда следует очевидный вывод: самые высокие механические свойства серого чугуна являются отправной точкой для производства отливок из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.

Выраженные свойства высокопрочного чугуна с шаровидным графитом

Так называемое «пластичное железо» обладает рядом интересных свойств. Эти свойства отмечены ниже:

высокая степень прочности (в некоторых вариациях выше стали),

достаточная пластичность,
превосходное литьё,
хорошая обрабатываемость,
более низкая плотность, чем у стали,
хорошие поверхностные свойства смазки,
улучшенные демпфирующие характеристики.

Получение высокопрочного чугуна

?Высокопрочный чугун с шаровидным графитом или ВЧШГ – это конструкционный, который нельзя отменить высокими прочностными свойствами и хорошими эксплуатационными характеристиками. Как известно, в чугунах форма зерна графита оказывает определяющее воздействие на прочностные характеристики материала. В высокопрочном чугуне ВЧШГ графитные включения имеют шаровидную фигуру. Вследствие чего ВЧШГ по механическим характеристикам много превосходит серый чугун и удачно конкурирует со сталью.

По сравнению с углеродистой сталью высокопрочный чугун имеет следующие преимущества : более низкую температуру плавления, что облегчает технологию плавки и делает ее дешевее ; добрейшую еврей — котекучесть, что позволяет получать тонкостенные отливки, изготовле¬ние которых из стали затруднено ; меньшую предрасположенность к образованию горячих трещин, что много упрощает технологию производства отливок и сокращает брак литья ; меньшую плотность, что позволяет уменьшить массу автомобилей приблизительно на 8 — 10% ; более высокую износостой¬кость, что увеличивает срок службы деталей автомобилей ; лучшую обрабаты¬ваемость резанием, что снижает расход режущего инструмента.

Из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом изготавливают отливки развесом от десятых долей килограмма до нескольких десятков тонн. Свойства ВЧШГ очень различны, поэтому высокопрочный чугун применяется : взамен серого чугуна — для удлинения срока службы отливок ( изложниц, прокатных валков, поршней, поршневых колец и др. ) ; взамен стали — с целью упрощения и удешевления производства, сокращения числа металла и рационализации конструкции отливок ( коленчатых валов, траверс, шестеренок и др. ) ; взамен цветных сплавов — целью сокращения расхода дефицитных металлов и снижения стоимости автомобилей.

Особенностями структуры матрицы высокопрочного чугуна с шаровидным графитом являются : а ) расположение феррита преимущественно в виде оторочек вокруг включений шаровидного графита ; б ) тонче, чем у серого чугуна, строение пластинчатого перлита, часто напоминающее сорбитообразный перлит. Излом высокопрочного чугуна с шаровидным графитом посветлее и мелкозернистый, чем серого чугуна. Химический состав является одним из главных параметров при выборе чугуна для конкретной подробности.

Ковкий чугун содержит хлопьевидный графит ( рис. 2, б ). Его получают из белого чугуна путем графитизирующего отжига ( томления ), при котором происходит распад цементита. Хлопьевидный графит имеет почти равноосную компактную фигуру. Этот чугун разделяют на марки : КЧЗО — 6, КЧЗЗ — 8, КЧ35 — 10, КЧ37 — 12, КЧ45 — 6, КЧ50 — 4, КЧ60 — 3, КЧ63 — 2. В обозначение марки входят буквы КЧ ( ковкий чугун ), потом число — минимально допустимый предел крепости при растяжении ( кгс/мм 2 ), второе число — относительное удлинение ( % ).

Рис. Действие количества перлита в металлической основе на механическиесвойства высокопрочного чугуна В перлитном и ферритном ВЧ совершенно недопустим цементит, т.к. даже очень жалкое его число понижает ударную вязкость до значения менее 1кгм/см2. Исследования действия химического состава ВЧ на его механические свойства проводились на чугуне, выплавленном в лабораторных обстановках в индукционной печи, а также в разных производственных механизмах ( вагранки, дуговые электропечи ) на ряде фабрик Урала. Во целых эпизодах употребляли данные только тех плавок, чугун которых располагал совершенно шаровидный графит и ферритную металлическую основу в литом состоянии или после отжига ( не более 10% перлита ). Обобщенные итоги изображены на рис. 4, 5, 6, 7.

Читайте так же:

Как замерить контур заземления мегаомметром

Да, без сомнений, получение высокопрочного чугуна для предприятий, имеющих в качестве основного плавильного агрегата ваграночные печи с низкой температурой расплава ( не более 1320 С ), а в случаях коксовых вагранок и из-за нестабильного высокого содержания серы, традиционные способы обработки этой задачи не решают. Поэтому владельцы таких агрегатов даже и не берутся за выполнение заказов на изготовления высокопрочного чугуна и тем паче чугуна с вермикулярной формой графита, так как считают невозможным решение даной задачи без замены вагранок на индукционные печи. Также многие предприятия применяют дуплекс процесс, используя дуговую печь для повышения тепературы. Но как правило все же предприятия вынуждены менять ваграночные печи на индукционные, при этом естественно неся крупные инвестиционные затраты.

Сочетание довольно длинных механических характеристик и повышенной теплопроводности делает ЧВГ перспективным материалом для отливок, действующих в условиях термоциклирования при существенном перепаде температур и испыты — вающих большие термические нагрузки, например в дизелестроении, в производстве деталей металлургического оборудования и т.д. Экономически выгодно применять ЧВГ взамен серого чугуна в деталях общего машиностроения, служащих при повышенных циклических механических нагрузках. При этом не только значительно ( на 30 — 40% ) снижается металлоёмкость изделий, но и повышается их эксплуатационная надежность. Особенно важный эффект дает применение ЧВГ для изготовления крупногабаритных деталей тяжелых металлорежущих станков и кузнечно — прессового оборудования. Хорошие литейные свойства ЧВГ позволяют применить его взамен высокопрочного чугуна с шаровидным графитом при получении сложных низкотехнологичных отливок, в которых трудно предотвратить образование усадочных дефектов.

Включая небольшое сопротивление отливок из серого чугуна растягивающим и ударным нагрузкам, следует использовать сей материал для подробностей, которые подвергаются сжимающим или изгибающим нагрузкам. В станкостроении это – базовые, корпусные детали, кронштейны, зубчатые колеса, ведущие ; в автостроении — блоки цилиндров, поршневые кольца, распределительные валы, диски сцепления. Отливки из серого чугуна также используются в электромашиностроении, для изготовления товаров народного потребления.

Химический состав высокопрочного чугуна ВЧ 50 ГОСТ 7293 — 85. : C углерод при толщине стены до 50 мм 3, 3 — 3, 8% ; C углерод при толщине стены от 50 до 100 мм 3, 0 — 3, 5% ; C углерод при толщине стены более 100 мм 2, 7 — 3, 2% ; Si кремний при толщине стены до 50 мм 1, 9 — 2, 9% ; Si кремний при толщине стены от 50 до 100 мм 1, 2 — 1, 7% ; Si кремний при толщине стены более 100 мм 0, 5 — 1, 5% ; Mn марганец 0, 2 — 0, 6% ; . °? r хром 0, 1% ; S менее 0, 02% ; P фосфор менее 0, 1%. Механические свойства высокопрочного чугуна ВЧ 50 ГОСТ 7293 — 85 : лимит крепости ( временное сопротивление ) ? в ВЧ 40 = 400 Мпа ;

Испытания ЭМ в чугунолитейном производстве ОАО «АВТОВАЗ» проводились с ноября 2007 г. по январь 2008 г. при получении широкой номенклатуры отливок из ВЧШГ. Целью работы являлось понижение себестоимости операции вторичного графитизирующего модифицирования, а также исключения дефектности отливок по отбелу и нарушению ССГ, владеющим место при использовании брикетов. Элементы неизменные массой 55 г применялись взамен ФС75л3 кусковой фракции массой 150…200 г или брикетов БрФС65Ба1 массой 170 — 220 г. Технологические условия производства и массовая часть отдельных элементов главной партии ЭМ ( партия №1 ) приведёны в табличке 4.

Нынче есть волеизъявление — ваграночные печи могут служить Вам и для получения сфероидального чугуна и чугуна с вермикулярной формой графита! Такая возможность прежде всего предоставляется благодаря специальному материалу «чипс — модификаторам», издаваемому в компании НПП. Из ваграночного чугуна можно получать высокопрочный чугун феррит — перлитной структуры марки ВЧ — 50, а также чугун с вермикулярным графитом. При этом специальные составы модификаторов в то же самое время работают и над образованием формы графита и выполняют функцию делульфуратора. Данное свойство «чипс — модификатора» — работа при невысоких температурах было явно специалистами НПП сравнительно недавно, что показывает новейшее перспективное течение и дает многим предприятиям возможность освоение новых изделий из сфероидального чугуна при этом не неся дополнительных затрат на модернизацию плавильных агрегатов. По всем проблемам вращайтесь в Отдел Внедрения компании НПП [email protected]

Как производится «пластичное железо» (ВЧШГ)?

Выбор химической композиции базовых сплавов предпочтителен с целью получения свободной от углерода отлитой структуры. Другие факторы, которые также рассматриваются, это:

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА С ШАРОВИДНЫМ ГРАФИТОМ Российский патент 1999 года по МПК C21C1/10

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом или ВЧШГ – это конструкционный материал, обладающий высокими прочностными свойствами и хорошими эксплуатационными характеристиками. Как известно, в чугунах форма зерна графита оказывает определяющее влияние на прочностные характеристики материала. В высокопрочном чугуне ВЧШГ графитные включения имеют шаровидную форму*. Вследствие чего ВЧШГ по механическим свойствам значительно превосходит серый чугун и успешно конкурирует со сталью.

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом выгодно отличается от стали хорошими литейными свойствами (высокой жидкотекучестью, малой склонностью к образованию горячих трещин, меньшей усадкой и т.д.), относительной простотой процесса выплавки и меньшей стоимостью.

*Шаровидный графит также называют сфероидальным или глобулярным графитом.

Из истории высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ВЧШГ)

В 1943 году на Съезде Американской Ассоциации Литейщиков (AFS) J.W. Bolton фантазировал на тему управления формой графита в сером чугуне. Несколько недель спустя американец Keith Dwight Millis в исследовательской лаборатории «International Nickel Company» (INCO) сделал следующее открытие: при добавлении магния в расплав чугуна в ковше, в отливке получается не пластинчатый графит, а графит практически идеальной шаровидной формы.

Исходя из вышесказанного можно фактически считать годом рождения высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ВЧШГ) 1943 год. Наши источники [1] называют днём рождения высокопрочного 7 мая 1948 года, когда состоялся съезд американских литейщиков в Филадельфии и было сделано публичное заявление о получении высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.

Однако авторы [2] официальным днём рождения высокопрочного чугуна с шаровидным графитом склонны считать всё-таки более позднюю дату, а именно 25 октября 1949 года, когда Кейтом Д. Миллисом был получен патент на высокопрочный чугун с шаровидным графитом (ВЧШГ) за номером 2485760 (Cast ferrous alloy).

Читайте так же:

Какие лампы являются наиболее экономичными

В тех же годах (1948-1949) в Киеве и Москве начинает активно развиваться это направление: создаются научные школы по разработке технологий получения ВЧШГ и изучению свойств высокопрочных чугунов…

Необходимо отметить, что российский стандарт на высокопрочный чугун, ГОСТ 7293-85, несмотря на название «Чугун с шаровидным графитом для отливок

» распространяет своё действие как на высокопрочный чугун с шаровидным графитом (ВЧШГ), так и на высокопрочный чугун с вермикулярным графитом (ВЧВГ).

Как производится «пластичное железо» (ВЧШГ)?

Влияние различных элементов на форму.
Распределение графита.
Структура матрицы.

На все отмеченные факторы влияет скорость охлаждения.

Присутствие углерода

Содержание углерода в промышленном ковком чугуне составляет 3,0 — 4,0%, но желательны гораздо более узкие пределы диапазона. На количество клубеньков напрямую влияет содержание углерода. Отмечается большее количество сфероидов при более высоком содержании углерода.

Увеличение содержания углерода также увеличивает литейную способность за счёт улучшения текучести и подачи. Уровень содержания углерода должен быть связан с формулой эквивалента углерода:

CE = %C + 1/3 %Si + 1/3 %P

Углеродные эквиваленты значительно превышают параметр 4,3, способствуют развитию и росту графитовых сфероидов. Поскольку графит намного менее плотный, чем расплавленный чугун, эти сфероиды способны становиться плавучими и всплывают к поверхности литья. Такое развитие событий приводит к сильной сегрегации углерода.

Присутствие кремния

Очень сильным активатором, не содержащим карбидов, является кремний. Помимо активации графита и улучшения его распределения, кремний является наиболее мощным полезным элементом для повышения прочности, и до 4% увеличивает пластичность в литом состоянии.

Ассортимент изделий, которые изготовлены на базе пластичного чугуна. Каждая из этих деталей отмечается активным использованием и применением в самых разных конструкциях

Кремний, будучи стабилизатором феррита, увеличивает твёрдость, особенно в отожженном состоянии. Кремний также влияет на распределение графитовых сфероидов. Чем выше содержание кремния, тем больше количество узелков и тем больше содержание феррита.

Однако известно, что более высокое содержание кремния способствует образованию графита массивного типа, что приводит к ухудшению свойств отливок на основе тяжёлого ковкого чугуна. Другими потенциально нежелательными факторами, влияющими на увеличение содержания кремния, являются:

снижение энергии удара,
повышение температуры ударного перехода,
снижение теплопроводности.

Общий диапазон для коммерческого производства определен в пределах 1,8 — 2,8%.

Присутствие марганца

Единственная цель при выборе процентного содержания марганца – следует избегать в процессе литья образования карбида. Предпочтительно, чтобы такое образование не превышало 0,5%.

Дополнительным преимуществом пониженного содержания марганца является снижение тенденции поглощения водорода и минимизации опасности пробоин. Следует отметить: содержание марганца никогда не следует выбирать с целью контроля структуры матрицы.

Содержание серы

Контроль серы для производства высокопрочного чугуна с шаровидным графитом видится очень важным моментом. Если базовый металл, используемый при производстве высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, содержит более 0,015% серы, потребуются увеличивать количества магния или других нодулирующих агентов. Кроме того, появляются проблемы контроля дефектов, возрастает объём окалины. Поэтому в процессе литья оптимальным видится содержание серы в пределах 0,01%.

Содержание фосфора

Фосфор снижает пластичность, ударную вязкость и свариваемость, и эти факторы отрицательно сказывается на прочности литья. По этим причинам большинство спецификаций допускают максимум содержания фосфора — 0,03%. Удачной практикой является сохранение содержания фосфора ниже 0,04%. В некоторых случаях, когда требуются:

пониженная скорость ползучести металла,
повышенная теплопроводность,
сопротивление истиранию,

содержание фосфора следует поддерживать на более высоком уровне.

Содержание магния

Магний добавляют для нодуляризации, как правило, в легированной форме. Технической литературой предусматривалось содержание остаточного магния в образованном высокопрочном чугуне с шаровидным графитом в пределах 0,02 — 0,06%.

Чугун с шаровидным графитом получают обработкой жидкого (расплавленного) чугуна подходящего состава чистым магнием, непосредственно перед началом процесса литья

Указанный выше диапазон обоснован расчётным количеством легированного магния с учётом факторов, таких как:

температура обработки,
эффективность процесса обработки,
процентное содержание магния в сплаве.

Свойства высокопрочного чугуна

Свойства высокопрочных чугунов весьма многообразны, однако отличительной особенностью таких чугунов является сочетание хороших литейных свойств и высоких прочностных характеристик. К свойствам высокопрочного чугуна относятся также: хорошая обработка резанием, высокая пластичность, низкая чувствительность к концентраторам напряжения, устойчивость к циклическим нагрузкам.

Литейные свойства высокопрочного чугуна, в частности ВЧШГ:

высокая жидкотекучесть,
малая склонность к образованию горячих трещин,
малая усадка.

Требования к механическим свойствам высокопрочного чугуна регламентированы стандартом ГОСТ 7293-85 (СТ СЭВ 4558-84).

Применение высокопрочного чугуна

Из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом изготавливают отливки развесом от десятых долей килограмма до нескольких десятков тонн. Свойства ВЧШГ очень разнообразны, поэтому высокопрочный чугун применяется:

взамен серого чугуна — для удлинения срока службы отливок (изложниц, прокатных валков, поршней, поршневых колец и др.);
взамен стали — с целью упрощения и удешевления производства, уменьшения количества металла и рационализации конструкции отливок (коленчатых валов, траверс, шестерен и др.);
взамен цветных сплавов — целью сокращения расхода дефицитных металлов и уменьшения стоимости машин.

Наряду с конструкционными высокопрочными чугунами применяются высокопрочные чугуны со специальными свойствами: жаростойкий и ростоустойчивый (например, см. Нирезист), стойкий в различных агрессивных средах, антифрикционный высокопрочный чугун с низким коэффициентом трения и т.д.

Самая известная на сегодняшний день область применения высокопрочного чугуна

— это производство труб из ВЧШГ.

Практические способы плавления

Отношение практики плавления к типу и количеству используемого сфероидального сплава имеет большое значение для литья и получения физических свойств. Плавка в вагранке является наиболее распространенным методом плавления ковкого чугуна. Причём в ряде литейных цехов используются электрические индукционные печи.

Химическая плавка в вагранке

Использование химических вагранок (купольных печей) требует строгого контроля над загружаемыми материалами и коксом, поскольку полученный кислотный шлак не способен снизить содержание серы в железе.

Это приводит к содержанию серы в количестве от 0,06 — 0,12%. Если не снизить объём серы, потребуется увеличивать количество сфероидизирующего сплава. Однако плавление в химической вагранке позволяет контролировать легко окисляемые элементы загрузки, такие как хром и марганец.

Поскольку это более окисляемый процесс, чем основной процесс купола. По причине умеренного поглощения углерода при плавлении в вагранке с кислотным основанием и желаемой химии основного чугуна, использование возвращаемого чугуна является ограниченным.

Этим ограничивается строгий контроль состава и высокие температуры металла, однако допускается производство без необходимости горячего дутья.

Традиционная плавка в вагранке

Традиционно используемое плавление в вагранке характеризуется определённым преимуществом контроля серы. Среднее содержание серы в основном расплаве перед сферрадизацией составляет 0,025 — 0,035%. Этот пониженный уровень содержания серы в расплаве достигается за счёт:

более высоких эксплуатационных расходов,
более высоких потерь кремния при плавлении,
менее эффективного контроля температуры и состава,
большего поглощения углерода при плавлении.

Читайте так же:

Как сделать кузнечную печь

Плавление электрическим способом

Электрическое плавление обеспечивает чистый и надежный расплав. Эта методика также обеспечивает наибольшую гибкость для плавильных чугунов различных сортов. Установлено, что электродуговые печи менее популярны, чем индукционные.

Пакетный тип операций и шумовое воздействие электродуговых печей отмечаются факторами, снижающими популярность применения оборудования. Электродуговые печи в основном применяются в качестве первичного расплавителя и в качестве дуплексера.

Электрические индукционные печи являются наиболее распространенными плавильными установками для производства высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Оборудование подобного типа используется как в симплексном режиме в небольших литейных цехах, так и в виде дуплексных установок.

Одна из конструкций электрической индукционной печи, посредством которой выполняется расплавление металла под литьё ВЧШГ

Тип печей без сердечника используется для первичной плавки, а канальная печь используется для дуплексирования. Установлено, что высокочастотные блоки хорошо подходят для работы, с металлургической точки зрения, но эксплуатация такого оборудования связана с высокими затратами.

Однако когда желательны однотонные мощность печи и скорость плавления, высокая частота является предпочтительной. Практически обнаружено: индукционная печь с частотной линией без сердечника является наилучшим оборудованием из всего возможного для выплавки при производстве чугуна. Низкая частота обеспечивает лучшее перемешивание, что приводит к гомогенизации плавления.

Какие детали автомобиля изготовлены из чугуна

Чугунные сплавы, как и стальные, состоят из железа и углерода. Функция углерода, в данном случае, заключается в придании металлу твердости и прочности. Но в отличие от стали, содержащей не более 2% углерода, чугунные сплавы им более насыщены. Максимальное содержание углерода в чугуне может достигать 6%. Но на практике используются соединения, содержащие 3%-3,5% этого вещества.

Благодаря насыщению углеродом этот сплав обретает высокую прочность и твердость. Но эти же качества придают чугуну хрупкость. Чугунные изделия не выдерживают ударных нагрузок. При ударах они трескаются. Поэтому этот металл не поддается никаким видам обработки, кроме литья. Все изделия, включая детали для машин, посуду и предметы интерьера, отливаются.

Серый чугун

Для машиностроения в основном применяется серый чугун, имеющий в своем составе графит. Детали, изготовленные из такого материала, не реагируют на возникающие напряжения, они поглощают колебания, появляющиеся в случае вибрации механизмов. Из него изготавливают детали ответственного назначения:

В качестве конструкционного материала его стали применять практически на всех предприятиях машиностроительной отрасли. Самыми большими потребителями серого чугуна стали следующие отрасли промышленности:

Детали тракторов, материалом которых стал серый чугун, достигают 20% от всего количества его деталей. Такое использование этого сплава связано с высокой износостойкостью. Он не задирается в случае большого трения и отсутствии смазки, иными словами, обладает демпфирующей способностью. Из него изготавливают:

Для изготовления головки блока различных двигателей, используют низколегированный сплав следующих марок:

Главными требованием, предъявляемыми к СЧ, при производстве гильз, стали:

Для моторов автомобилей любой конструкции используются гильзы цилиндров, изготовленные из специального легированного сплава. В большинстве случаев используется его фосфористая фракция.

Дизельные двигатели при работе создают большую нагрузку на блок цилиндров, поэтому для них используют легированные чугуны. Головки цилиндров изготавливают из высокоуглеродистых легированных марок,

Такие же требования соблюдаются при изготовлении отливок гильз, материалом которых является низколегированный сплав. Химический состав этого материала зависит от нескольких технологических характеристик:

На автомобилях устанавливают чугунные распределительные валы, отличающиеся высокой износостойкостью. Этот параметр достигается благодаря поверхностной закалке, которой подвергают металл.

Когда деталь эксплуатируется на больших скоростях, когда имеет место сухое трение, необходимо чтобы была повышенная износостойкость материала и высокий коэффициент трения. Именно в таких условиях данный сплав просто незаменим.

Тормозные барабаны, работающие в таких условиях, изготавливают из СЧ20. Когда деталь испытывает высокие нагрузки, и возможно появление термических трещин, используют специальный термостойкий сплав с высоким содержанием углерода и высоким уровнем легирования.

Вращение маховика при работе достигает 7000 об/мин. Такая скорость вызывает появление растягивающих напряжений. Вращающаяся поверхность маховика постоянно касается рабочей поверхности другой детали. Такое трение вызывает сильное выделение тепла в результате возникают термические трещины, которые отрицательно влияют на прочность детали.
Чтобы повысить прочность, учитывая большой вес маховика и размер его сечения, он изготавливается из различных марок:
Он должен обеспечивать прочность заготовки выше 250 Н/мм2. Иногда СЧ 35 имеет прочность, которой не хватает для обеспечения нормальной работы маховика. В этом случае используют чугун, куда добавляют шаровидный графит.

Легковые автомобили могут похвастаться чугунными крышками, закрывающими коренные подшипники. Эта конструкция встречается в большинстве случае на машинах с карбюраторным двигателем. Чтобы обеспечить перлитную структуру, а также высокую твердость, превышающую 200 НВ, для изготовления крышек подшипников, применяют СЧ25.

Изготовление коллекторов

В автомобиле на выпускные коллекторы действуют выхлопные газы, температура которых доходит до 90 градусов. Коллекторы под воздействием агрессивной среды окисляются, деформируются и трескаются.

Использование серого чугуна обеспечивает долговечность таким деталям и высокую экономичность. В связи с тем, что толщина стенок коллектора очень мала, менее 7 мм, для их изготовления применяют СЧ15. Чтобы повысить его жаростойкость, проводят легирование чугуна хромом, или никелевыми добавками.

Для изготовления коллекторов, испытывающих большие термические нагрузки, используют:

Все вышеперечисленные материалы обладают высокой термостойкостью и устойчивостью к агрессивным средам, щелочам и окислам.

Станкостроение

Из серого чугуна в станкостроении изготавливается большое количество литых деталей, работающих во всевозможных условиях, масса которых может достигать 100 тонн, при максимальной толщине стенки 200 миллиметров.
Классификация таких литых деталей в станкостроении, в зависимости от конструкций, от создавшихся условий эксплуатации соответствует действующему стандарту.

Для каждой детали подбирается специальная марка чугуна. Она зависит от следующих параметров:

Учитывая специфику многих станкостроительных деталей, которые работают в основном на жесткость, для их изготовления предпочитают использовать чугун, имеющий повышенную твердость, достаточно низкую пластичность.

У таких чугунов химический состав отличается высоким содержанием марганца, и низким количеством углерода. Чтобы получить высокую твердость чугуна, используют легирование и другие технологические процессы.

Заготовки из СЧ нашли широкое применение в металлургическом оборудовании:

Сантехника

Очень много чугунных изделий применяется в сантехнике. Из чугуна изготавливают:

И сегодня остаются востребованными чугунные ванны, которых отличает высокая прочность, долговечность и надежность. Такие изделия можно эксплуатировать десятки лет. Они сохраняют свой первоначальный вид и не требуют замены.

Читайте так же:

Как называется лампочка в подвесном потолке

Из чугуна мастера изготавливают художественные шедевры. К примеру, набережные Санкт-Петербурга, украшены чугунными литыми деталями. Гуляя по улицам города можно встретить ажурные ворота, оригинальные чугунные ограждения. В скверах можно увидеть чугунные памятники.

Виды сплавов

Углерод в чугунах может содержаться в двух видах:

в виде цементита – химического соединения;
в виде графита – природного минерала, являющегося аналогом углерода.

Цементит придает сплаву белый цвет, а графит – серый. За счет такой особенности выделяют две разновидности чугунов – белый и серый. Серый чугун содержит крупные включения графита, которые значительно повышают его хрупкость.

Применение белой разновидности очень ограничено. Из-за чрезмерной твердости и хрупкости он плохо поддается резке. Поэтому чаще всего его используют для создания поверхностного слоя, требующего повышенной твердости. Также из белого чугунного соединения отливают шары, предназначенные для перемалывания промышленного сырья.

Графит добавляет материалу пластичности. Но серая разновидность содержит больше вредных примесей в виде серы и фосфора, от которых не удается избавиться в процессе производства.

С целью повышения пластичности чугуна и снижения его хрупкости в сплавы добавляют магний и церий. С помощью эти веществ удается изменить форму графита и, соответственно, устранить хрупкость металла. В результате производители получают высокопрочный чугун, качество которого не уступает стали.

Также современные методы производства позволяют получить ковкий чугун и легированный. Название первой модификации не указывает на возможность обработки металла методом ковки. Оно лишь указывает на высокую прочность, пластичность и вязкость сплава.

Какие детали автомобиля изготовлены из чугуна

Все стали в зависимости от химического состава разделяют на углеродистые и легированные. К углеродистым относят те, в которых основным элементом, влияющим на свойства, является углерод. Легированные стали содержат добавки различных цветных металлов и неметаллических веществ (кремний, бор), которые изменяют свойства стали в нужном направлении, придавая ей специальные свойства.

Г1о назначению стали подразделяются на конструкционные, инструментальные и специальные. При производстве и ремонте автомобилей применяют стали углеродистые и легированные всех трех групп, причем сортамент их включает более 250 марок: углеродистые конструкционные обыкновенного качества, углеродистые конструкционные качественные, литейные углеродистые, низколегированные и легированные конструкционные, автоматные, рессорно-пружинные, высоколегированные корро-зионностойкие, жаростойкие и жаропрочные, инструментальные стали и др.

Для обозначения различных марок стали установлена буквенно-цифровая система маркировки сталей.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества применяют для автомобильных деталей, изготовленных с помощью сварки и работающих при небольших нагрузках.

В зависимости от гарантируемых характеристик качества стали Делятся на группы А, Б и В. Стали группы А поставляются по механическим свойствам и маркируются СтО, Ст1, Ст2, СтЗ, Ст4, Ст5, Стб. Стали группы Б посталяются по химическому составу и маркируются БСтО — БСтб. Стали группы В поставляются по механическим свойствам и химическому составу и маркируются ВСт1— ВСтб. Во всех марках буквы Ст обозначают «сталь», а цифры — номер стали. Чем выше номер, тем больше в стали углерода и тем выше ее твердость.

Область применения сталей обыкновенного качества: СтО — Lt4 — малонагруженные детали конструкции кузова автомобиля, кРепежа, гнутые профили; Ст5, Стб — средненагруженные оси, малоответственные болты и гайки, клинья, планки, профили и т. д.

При производстве сталей данного назначения получают два рода сталей: полуспокойную и кипящую. Кипящая сталь при застывании в изложнице обильно выделяет газы — кипит. Для отличия этих сталей в марку стали добавляют буквы «кп» или «пс» например, БСт1пс, Ст2кп.

Виды запчастей из чугуна

Главной отличительной чертой чугуна является его применение в изготовлении как небольших деталей, вес которых составляет несколько сот граммов (к примеру, поршневые кольца), так и довольно крупных деталей, вес которых может достигать до 150 гр. Также он подходит для толстостенных (до 10 см) и тонкостенных (от 3 до 5 мм) заготовок.

Чаще всего заказывают следующие литые изделия:

крышки и корпусные детали для насосов;
редукторы;
решетки;
поддоны и плиты;
колосники;
цветное литье;
тормозные барабаны.

Но это далеко не полный список доступных вещей. При желании вы сможете заказать любую заготовку по вашим чертежам.

«Белый» чугун

Белый чугун – железоуглеродный сплав, в котором весь углерод находится в связанном состоянии (в виде цементита Fe3C). Содержание данного неметалла – до 3,8%. И это значительно изменяет эксплуатационные свойства материала. Других примесей, к слову, практически нет.

Белый чугун характеризуется твёрдостью – и при этом он очень хрупкий. Разрушение или деформация изготовленного из него изделия может произойти вследствие как механических, так и термических внешних факторов. Кроме того, данный сплав практически не обладает важными для производства конечных продуктов качествами.

Так, он не пластичен, плохо поддаётся литью, устойчив к резанию и ковке. Из-за этого изготовить из него предметы сложной геометрии или малых размеров не представляется возможным.

Да и сам по себе «белый материал» практически не используется в производстве. Он служит основой для других сплавов – включая высокопрочный и ковкий. Кроме того, его очень часто переделывают в сталь – соединения железа с углеродом в малых количествах (до 0,6%) и другими постоянными либо легирующими примесями.

Итак, подведём итоги.

Достоинства

Чистота материала (малое содержание сторонних примесей);
Прочность, не поддаётся резанию и другим деформирующим воздействиям;
Износоустойчивость.

Недостатки

Крайне низкие эксплуатационные качества, практически не поддаётся обработке;
Малая текучесть, вследствие чего сложен в литье;
Хрупкость, легко трескается и разрушается даже при незначительных ударных воздействиях.

Все эти недостатки делают белый чугун неподходящим для использования ни в машиностроении, ни в других сферах. Поэтому он практически нигде и не применяется. Зато на его основе с легированием сторонними примесями или, напротив, очисткой получают другие практичные и широко использующими сплавы.

Технология получения высокопрочного чугуна с шаровидным графитом

Известно, что высокопрочный чугун с шаровидным графитом (ВЧШГ) получают путем модифицирования жидкого чугуна сфероидизирующими модификаторами, содержащими магний, церий и иттрий. Чугун, подвергаемый модифицированию, должен удовлетворять ряду приведенных ниже требований, выполнение которых является задачей плавки.

Требования к жидкому чугуну.

Важнейшим требованием к химическому составу жидкого металла при получении высокопрочного чугуна с шаровидным графитом является низкое содержание серы — до 0,03%.Т1ри этом снижение содержания серы способствует уменьшению расхода дорогостоящих модификаторов.

Техническими условиями, принятыми на ВАЗе и КамАЗе, допускается содержание серы не более 0,012%. Составить шихту с таким низким содержанием серы практически невозможно, поэтому важнейшей задачей плавки является десульфурация. В связи с этим использование для плавки дуговых пеней с основной футеровкой в данном случае является оправданным, несмотря на высокое пылегазовыделение и шум.

Читайте так же:

Как собрать лазерный гравёр

При наведении основного шлака рекомендуется вводить известь (6 кг/т металла) для снижения избыточного количества серы на 0,001 %. Содержание в чугуне демодификаторов Pb, Bi, Sn, Sb, As, Ti, Al даже в незначительных количествах препятствует сфероидизации графита. С учетом этого требуется тщательный отбор шихтовых материалов. Не допускается использование лома неизвестного происхождения. Помимо первичных материалов и возврата используются стальные отходы кузнечно-прессового производства.

Температура чугуна при модифицировании должна быть выше, чем при модифицировании серого чугуна, 1480. 1530 °С. Это объясняется тем, что на испарение магния, введенного в расплав, требуется значительное количество теплоты (при введении каждого 1 % Mg температура чугуна снижается на 80. 90 °С).

Сфероидизирующне модификаторы.

Шаровидная форма графита в чугуне достигается использованием модификаторов, содержащих магний, церий и иттрий. Модификаторы на основе магния, в свою очередь, разделяют на металлический магний и магнийсодержащие лигатуры. Металлический магний имеет плотность в 4 раза меньшую, чем расплавленный чугун, поэтому при простом введении его в металл он всплывает и сгорает ослепительно ярким пламенем. При принудительном погружении его в расплав чугуна при температуре 1400 °С магний испаряется и давление его паров может достигать 0,7 МПа. Пары магния, выходя из расплава, вызывают интенсивное перемешивание и выбросы металла. Над поверхностью расплава пары магния сгорают. Обычно в металле остается не более 1/10 количества введенного в него магния.

Для улучшения усвоения магния расплавом используются магнийсодержащие лигатуры, магний—кремний—железо, магний-никель, магний—медь, магний—никель—медь и др. Особенно широкое распространение получили в свое время тяжелые лигатуры содержащие около 85 % никеля. Плотность такой лигатуры выше, чем жидкого чугуна, что в сочетании с относительно низким содержанием магния предопределяет ее хорошее усвоение и незначительный пироэффект.

Однако никель возвращается в шихту в составе возврата и практически не угорает в процессе плавки. Учитывая, что доля возврата при производстве ВЧШГ составляет не менее 40%, содержание никеля в металле быстро растет от плавки к плавке, если в шихте используется более 10 % возврата. Это создает организационные трудности, связанные с использованием излишков возврата чугуна, модифицированного никель-магниевой лигатурой.

Учитывая отбеливающее действие магния, производят вторичное модифицирование ферросилицием ФС75 в количестве от 0,3 до 1 % в зависимости от толщины стенки отливки.

Цериевые модификаторы. Температура кипения церия около 3450 °С, поэтому при вводе его в расплав чугуна не наблюдается выбросов металла, и, кроме того, температура расплава может быть ниже (1390. 1410 °С). Однако для равномерного распределения его необходимо принудительное перемешивание металла.

Церий, так же как и магний, является активным десульфуратором, но в отличие от магния не образует черных пятен в структуре отливок при повышенном содержании серы в исходном чугуне.

Для получения высокопрочного чугуна с шаровидным графитом церий применяется в виде многообразных лигатур, таких как ферроцерий, мишметалл, цериевый мишметалл, сиитмиш и другие, содержащие около 50 % Се.

Комплексные модификаторы, разнообразные по составу и свойствам, получили в настоящее время наибольшее распространение. Наряду с магнием, который производит сфероидизирующее действие и перемешивание, в них обычно входит кремний, предотвращающий отбел. Церий и кальций в комплексных модификаторах способствуют связыванию избытка серы.

Модификатор ФЦМ5, содержащий 5 % магния, успешно применялся при литье коленчатых валов трактора «Владимирец». В модификаторах марок ЖКМК1 . ЖКМК10 помимо железа содержатся Mg, Са, Si и редкоземельные элементы.

В настоящее время наибольшее применение имеют модификаторы ФСМг5 и ФСМг6, содержащие соответственно 5 и 6 % Mg и использующиеся как для внутриформенного, так и для ковшового модифицирования.

Сфероидизирующие модификаторы в размельченном состоянии не подлежат длительному хранению, так как входящие в них элементы легко окисляются.

Иттривые модификаторы не получили до настоящего времени промышленного применения.

Способы введения в расплав сфероидизирующих модификаторов. Из всего многообразия способов ввода в расплав сфероидизирующих модификаторов к настоящему времени получили применение лишь несколько способов, удовлетворяющих условиям техники безопасности и обеспечивающих достаточно высокий коэффициент усвоения модификатора. Способ ввода модификатора выбирают с учетом масштабов производства и стоимости применяемого оборудования.

Для целей лабораторных и исследовательских работ, а также при небольших объемах производства предпочтителен способ ввода модификатора под колокольчиком в ковше с металлической крышкой (рис.1, а).

Рис. 1. Способы ввода в расплав сфероидизирующих модификаторов: а — под колокольчиком; б — в автоклаве; в — в герметизированном ковше-конвертере; 1 — колокольчик; 2 — крышка; 3 — корпус автоклава; 4 — ковш с металлом; 5— мешалка; 6— полость для модификатора; 7— крышка ковша; 8 — модификатор

В шамотографитовый или стальной колокольчик 1 с отверстиями в боковых стенках закладывают бумажный пакет с навеской модификатора. Пакет закрепляют в колокольчике вязальной проволокой. Крышку 2 надевают на штангу колокольчика и устанавливают на ковш. Колокольчик опускают в глубь металла.

При использовании тяжелой никель-магниевой лигатуры широко используется ввод ее под струю в разливочный ковш.

При использовании в качестве модификатора металлического магния наилучшие результаты дает применение автоклава (рис.1, б). В стальной корпус автоклава 3 при снятой крышке устанавливают ковш с металлом 4. В полость 6 крышки закладывают навеску магния и закрывают ее мешалкой 5. Крышку устанавливают на корпус автоклава, стык между ними герметизирован. Между крышкой и штоком мешалки также имеется уплотняющая манжета. После подачи воздуха в автоклав под давлением Ρ пневматический цилиндр опускает мешалку вниз, при этом модификатор падает в металл, который перемешивается в процессе возвратно-поступательного движения мешалки.

Широкое распространение получили также герметизированные Ковши, принцип действия которых показан на рис. 1, в. В боковую полость ковша закладывают навеску модификатора 8. После заливки металла ковш закрывают крышкой и поворачивают в вертикальное положение.

Установлено, что минимальное количество остаточного магния, необходимое для получения шаровидной формы графита в чугуне в любом сечении отливки, должно быть не менее 0,03 %. С учетом коэффициента усвоения модификатора количество магния, вводимого с модификатором, должно быть около 0,4 %. При использовании комплексных сфероидизирующих модификаторов суммарное содержание в них магния, кальция и редкоземельных элементов должно быть эквивалентно указанному выше содержанию магния.

Расход модификатора зависит от его состава, способа ввода в металл, содержания в металле серы, температуры металла и других факторов и составляет от 0,15 % для металлического магния, вводимого в автоклаве, до 2,5 % для лигатур при добавлении их в ковш. Необходимое и достаточное количество вводимого модификатора уточняется только опытным путем.

Источник:
Трухов А.П., Маляров А.И. Литейные сплавы и плавка. М. Академия, 2004.

голоса

Рейтинг статьи

Достоинства высокопрочного чугуна с шаровидным графитом