Высокопрочный чугун: свойства, характеристики, сферы применения

Высокопрочный чугун применяется там, где пасуют многие другие марки стали, он превосходит их как по химическим, так и по механическим свойствам. Используется в промышленности, машиностроении, строительстве.

Относительно простые технологические процессы во время выплавки и литья позволяют снизить стоимость конечного продукта. При этом процент дефектов намного ниже, чем при изготовлении стали, что делает высокопрочный чугун ее серьезным конкурентом.

История высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ВЧШГ)

В середине прошлого века американский исследователь-металлург Кейт Дуайт Миллис, добавив в расплавленный чугун магний, обнаружил, что полученная отливка приобрела удивительные свойства – структура металла включала не пластинки графита, как в обычном чугуне, а идеальные графитовые шарики.

Примечательно, что это открытие было сделано через считанные дни после того, как на очередном съезде представителей американских литейных заводов некий Дж. В. Болтон озвучил свои фантазии о том, что в будущем будет возможно изменять форму графитовых включений в структуре серого чугуна.

С 1943 года принято вести отсчет истории чугуна высокой прочности с включениями сфероидального графита. Во многих статьях на эту тему рождение высокопрочного чугуна датируют 7 мая 1948 года, когда на съезде североамериканских литейщиков представитель компании International Nickel публично объявил о выплавке образцов высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.

И все же правильнее относить официальный день рождения этого сплава более чем на год позже – на 25.10.1949. Именно тогда Кейт Миллис получил, наконец, патент на изобретение высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.

В эти годы в Советском Союзе металлурги также проявляют большой интерес к перспективной разработке. Киев и Москва становятся центрами активного изучения физико-химических свойств недавно открытых в Америке сплавов. Начинают свою работу научные коллективы, перед которыми поставлена задача разработки технологии выплавки видов высокопрочного чугуна и исследования их свойств.

Следует отметить, что отечественным государственным стандартом (ГОСТ 7293 от 1985 года), в названии которого указан «чугун с шаровидным графитом для отливок», регламентируется также выплавка ВЧВГ – высокопрочного чугуна с вермикулярным графитом, структура которого содержит графит в виде червеобразных включений.

Свойства высокопрочного чугуна

Говоря о свойствах различных видов высокопрочного чугуна, следует отметить, что несмотря на их многообразие, все они показывают отличные литейные качества и прочностные данные. Кроме того, высокопрочный чугун отличается высокой пластичностью, хорошей механической обрабатываемостью и устойчивостью к циклическим нагрузкам, которая обусловлена низким коэффициентом концентрации напряжений.

К отличительным литейным свойствам высокопрочных чугунов со сфероидальными включениями графита следует отнести:

• высокую жидкотекучесть;
• низкую склонность к образованию горячих трещин;
• малую усадку.

Применение высокопрочного чугуна

Высокопрочный чугун с включениями сфероидального графита производят в виде отливок массой от сотен граммов до десятков тонн.

Механические свойства высокопрочного чугуна отличаются большим разнообразием, что позволяет использовать его при изготовлении:

• коленвалов автомобильных и корабельных моторов;
• тормозных суппортов, якорей дисковых тормозов, анкерных тормозных пластин и т. п.;
• прокатных валков;
• поршневых колец;
• распорок подшипников качения;
• поршней в ударных дрелях и т. д.

Помимо конструкционных чугунных сплавов высокой прочности, в современном производстве часто применяются специальные марки. Это могут быть жаростойкие и ростоустойчивые сплавы типа нирезиста, чугун с повышенной устойчивостью к воздействию разнообразных агрессивных факторов внешней среды, антифрикционный высокопрочный чугун и многие другие.

Маркировка высокопрочного чугуна

Маркировка высокопрочных типов чугуна, в отличие от серого, включает два численных индекса, из которых первый обозначает прочность металла на разрыв, а второй – величину относительного удлинения. К примеру, марка чугуна ВЧ 38-17 обладает пределом прочности 38 кгс/мм2 и относительным удлинением 17 %.

Приведенная ниже таблица содержит значения, которым должны соответствовать механические характеристики металла, прошедшего термообработку: 

Влияние добавок на свойства высокопрочного чугуна

Углерод

Промышленные ковкие чугуны содержат 3-4 % углерода. Его наличие прямо влияет на образование сфероидальных включений. Чем ниже процентное содержание углерода в сплаве, тем меньше в нем шарообразного графита.

Повышение концентрации углерода способствует улучшению литейных свойств металла, повышая его жидкотекучесть.

Высокое содержание углерода вызывает ускоренный рост сфероидальных включений графита, а за счет того, что плотность этого минерала значительно ниже плотности самого расплава чугуна, эти шарообразные образования обладают плавучестью, поэтому начинают подниматься к поверхности. При таком течении процесса может происходить излишняя сегрегация углеродных включений в расплаве.

Кремний

Этот элемент является очень эффективным модификатором и при этом не образует карбиды. Активируя графит и способствуя его более равномерному распределению в структуре сплава, кремний, кроме того, служит одной из наиболее действенных добавок, повышающих прочность. Также он существенно улучшает пластичность полученного чугуна.

В то же время избыточное процентное содержание кремния приводит к образованию массивов графита, снижая качество отливки из высокопрочного чугунного сплава. Другие нежелательные изменения физических свойств металла, вызванные повышенным содержанием кремния, проявляются в:

• снижении устойчивости металла к ударным нагрузкам;
• повышении температуры ударного перехода;
• снижении теплопроводящей способности сплава.

Рекомендованные значения процентной концентрации кремния при промышленной выплавке чугуна лежат в диапазоне от 1,8 до 2,8 %.

Марганец

Определяя нужное процентное содержание этого элемента в составе высокопрочного чугуна, важно помнить, что его избыток способствует формированию карбидов. Исходя из этого, концентрация марганца в металле должна быть не больше 0,5 %.

Кроме того, с повышением процентного содержания этого элемента растет склонность расплава к поглощению атомов водорода и возрастает опасность образования пробоин в тонкостенных отливках. Концентрацию марганца в сплаве не следует использовать как инструмент изменения структуры металлического основания высокопрочного чугуна.

Сера

Процентное содержание этого химического элемента в составе сплава при выплавке высокопрочных чугунов со сфероидальными включениями графита играет крайне важную роль. В случаях, когда в базовом металле при выплавке чугунного сплава высокой прочности содержится сера в концентрации выше 0,015 %, появляется необходимость в добавлении способствующих нодулированию компонентов, таких как магний.

Фосфор

Этот элемент оказывает отрицательное влияние на прочность чугунного сплава. Его содержание в сплаве приводит к снижению ударной вязкости и пластичности металла, ухудшает свариваемость. В большинстве спецификаций указана максимально допустимая концентрация фосфора – не более 0,03 %. На практике приемлемым бывает процентное содержание ниже 0,04 %. 

Более высокая концентрация фосфора в чугуне допустима, когда нужно:

• понизить ползучесть сплава;
• повысить теплопроводность чугуна;
• увеличить сопротивляемость истиранию.

Магний

Добавление этого химического элемента необходимо для получения нодулярного легированного чугуна высокого качества. Для высокопрочных чугунов со сфероидальными включениями графита специализированная литература рекомендует процентное содержание магния в диапазоне от 0,02 до 0,06 %.

Способы плавления высокопрочного чугуна

Различные методы плавления применяются в зависимости от типа сплава, количества металла и их выбор играет существенную роль в достижении необходимого качества сплава и его физико-химических характеристик.

Традиционно большая часть ковких чугунных сплавов выплавляется в вагранках. На современных литейных заводах широко применяется плавление в электрических индукционных печах.

Химическая плавка в вагранке

При плавлении в купольных печах или химических вагранках необходимо максимально контролировать качество и состав загружаемых компонентов и кокса. Такая необходимость вызвана неспособностью получаемого кислотного шлака понижать концентрацию серы в расплаве. Содержание этого нежелательного элемента при таком методе выплавки может достигать 0,12 %.

Традиционная плавка в вагранке

Плюсом традиционного способа плавки в вагранке является возможность контроля процентного содержания серы. Основной расплав до начала сфероидизации содержит от 0,025 до 0,0355 % S. Достигнуть такой низкой концентрации нелегко. В результате вы получаете:

• увеличение расходов;
• потерю кремния в процессе плавки;
• сложный контроль температурного режима;
• высокое поглощение углерода в процессе выплавки чугуна.

Плавление электрическим способом

Достигать высокой чистоты расплава и стабильности его состава позволяет плавка в электрических печах. Благодаря этому методу можно добиться также большей гибкости при получении разных видов плавильного чугуна.

Повышенный уровень шума и выплавка металла пакетами становятся чаще всего причиной редкого использования электродугового типа печей. Они чаще выступают как оборудование для первичной плавки.

Высокопрочные чугуны со сфероидальным графитом, как правило, выплавляют в электрических печах индукционного типа. Применение такого оборудования на небольших предприятиях предполагает как симплексный режим, так и дуплексный.

Если необходимо добиться стабильной скорости выплавки и мощности, предпочтение отдается высокочастотным печам. В целом практика давно показала, что оборудование индукционного типа без сердечников является оптимальным выбором для выплавки ВЧШГ. Низкочастотные печи позволяют добиться максимально гомогенной структуры сплава.

Причины нарушений в структуре высокопрочного чугуна

При выплавке высокопрочного чугуна с шаровидным графитом одной из приоритетных задач выступает правильное формирование сфероидов и их равномерное распределение в структуре сплава.

Образование нодулярного графита в расплаве нередко сопровождается ухудшением физических характеристик конечного металла. Это связано с сопутствующим формированием ненодулярных включений чешуйчатого графита.

Существуют примеси, которые (в сочетании или каждое в отдельности) разрушают такой ценный модификатор, как магний, что приводит к губительным структурным изменениям. К таким разрушительным элементам относят:

• свинец;
• висмут;
• сурьму;
• титан.

Причем деструктивный эффект от таких примесей имеет накопительный характер. Для этих элементов в профильной литературе не указываются нормы содержания, так как в идеале нужно стремиться к их полному отсутствию в расплаве.

По отдельности критическими значениями процентного содержания в составе сплава вредных примесей являются:

• для свинца – 0,0005 %;
• для висмута – 0,002 %;
• для сурьмы – 0,004 %;
• для титана – 0,1 %.

Для нейтрализации негативного воздействия примесей на физико-химические свойства сплава часто применяют, помимо основного модификатора – магния, церий в малых (от 0,002 до 0,005 %) концентрациях. Придерживаться процентного содержания этого элемента в указанном диапазоне необходимо потому, что более высокая концентрация церия в составе сплава вызывает уменьшение количества клубеньков и повышает риск формирования карбида.

Виды чугуна с шаровидным графитом, который часто называют пластичным железом, широко применяют в современной промышленности. Популярность этого материала обусловлена оптимальным сочетанием литейных и эксплуатационных качеств. Для этих сплавов характерны высокая устойчивость к механическим нагрузкам, коррозии, износу и воздействию высокой температуры.

Как уже было сказано, при относительно низкой стоимости высокопрочный чугун с шаровидным графитом сравним по механическим свойствам с углеродистой сталью. Из этого сплава можно отливать детали сложной конфигурации. Все это делает высокопрочный чугун все более востребованным.