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).
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…
©ИЦМ(www.modificator.ru)
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).
Разновидности ковкого чугуна
Марка чугунного сплава КЧ напрямую связана с условиями, в которых проводят отжиг. После этой операции получают три класса чугуна КЧ:
- ферритный;
- перлитной;
- ферритно-перлитным.
Первый содержит в своем химсоставе феррит и углерод хлопьевидного строения. Второй включает перлит и графит хлопьевидного строения. Третий имеет в своем составе феррит, перлит и углерод хлопьевидного строения.
Рановидности ковкого чугуна
Ковкий перлитный чугун возникает в итоге быстрого охлаждения заготовки, когда она находится в зоне распада. В этом случае в строении чугуна кроме феррита будет находиться перлит. Он будет сохраняться и при дальнейшем остывании заготовки до температуры ниже чем 727 градусов.
То есть, можно сказать, что строение чугуна жестко связано с температурными режимами отжига и наличием легирующих компонентов.
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).
Основные характеристики металла
Ключевые параметры чугуна КЧ определены количеством углерода, который имеет форму графита и наличием кремния. Перлитный ковкий чугунный сплав содержит в себе еще два составных элемента – хром и марганец.
Характеристики ковкого чугуна
Различие в строении ковкого чугуна отражается и на конечных свойствах изделий, получаемых из него. К, примеру, заготовки, выполненные из ферритного чугуна, имеют меньшую твердость, чем те, которые производят из перлитного материала, но вместе с тем первые имеют повышенную пластичность. Графит в виде хлопьев обеспечивает высокие параметры прочности готовым деталям при относительно хорошей пластичности. Изделия из чугуна КЧ могут деформироваться в условиях комнатной температуры и влажности. Именно это свойство и определило название этого материала – ковкий. На самом деле, это условное название и не означает того, что готовые детали получают из него при помощи ковочного оборудования. Для производства изделий применяют литье. Главное свойство этого материала заключено в том, в том, что в нем отсутствуют напряжения.
Микроструктура ковкого чугуна
Механические свойства ковкого чугуна расположены между серым чугуном и сталью. То есть, чугун этого типа обладает высокой текучестью, стойкостью к износу, коррозии, агрессивным веществам. Кроме того, этот материал отличается высокими прочностными свойствами. Так, деталь с толщиной стенки 7 – 8 мм выдерживает давление рабочей среды до 40 атм. Это позволяет использовать его для изготовления трубопроводной арматуры для газа и воды.
Нельзя забывать и том, что при малых температурах, чугун становиться очень хрупким и очень боится ударных воздействий.
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.
©ИЦМ(www.modificator.ru)
Особенности производства ковкого чугуна
Изготовление чугуна КЧ обладает рядом тонкостей, которые обусловлены литьевыми характеристиками и другими свойствами.
Производство ковкого чугуна
Чугун марки БЧ, являющийся основной производства ковкого, обладает не очень хорошими литьевыми параметрами. В, частности, он обладает пониженной жидкотекучестью, большим размером усадки во время остывания, и он склонен к формированию различных литейных дефектов. Эти является причиной того, что при производстве необходимо перегревать металл и принимать меры по борьбе с дефектами литья. Изготовление ковкого чугуна может выполняться с обязательным учетом усадки и изменения размеров заготовок во время томления. Максимальную усадку, имеют тонкие заготовки, минимальную, толстые. Операция томления выполняется при 1350 – 1450 градусов Цельсия.
Отжиг (томление) это базовый этап при производстве чугуна КЧ. Его производят в отдельных цехах, называемых томительными. Заготовки размещают в горшках, выполненных из стали или чугунных сплавов разных марок, для томления. В горшок может быть уложено до 300 отливок исходя из того, что до 1 500 кг должно приходиться на один кубометр.
Ковкий чугун получает наибольшую прочность в горшках, произведенных из белого чугуна с добавками хрома и минимальным количеством фосфора. Расход горшков измеряют по весу, он может составлять от 4 до 15 % веса заготовок. Именно поэтому увеличение их стойкости играет большую роль в формировании стоимости готового ковкого чугуна.
Во избежание коробления готовых отливок укладка заготовок в горшки должна выполняться с особой тщательностью. Их укладывают максимально плотно, для повышения эффекта заготовки пересыпают песком или рудой. Эти материалы предохраняют заготовки от деформации и лишнего окисления.
Производство чугуна
Для производства ковкого чугуна применяют электрические печи. Это вызвано тем, что в процессе томления должна быть возможность регулировки температуры, резкий подъем на время нагрева и быстрое понижения на стадии его графитизации. Кроме того, не будет лишним, и возможность регулировки воздушной смеси в печи.
Большая часть печей, которая используется для получения ковкого чугуна – муфельные. То есть продукты сгорания топлива не вступают в контакт с горшками, в которых уложены заготовки.
Отливки, полученные из ковкого чугуна несколько раз проходят через операцию очистки, а после отжига удалению питателей и правке. Первая чистка проводится для удаления остатков формовочных смесей. Для чистки применяют пескоструйное оборудование или специальные галтовочные барабаны. Удаление остатков питателей происходят на наждаках.
Дефекты ковкого чугуна
Самыми часто встречающимися дефектами ковкого чугуна можно назвать следующие:
- усадочные раковины;
- недолив;
- трещины и пр.
Часть дефектов не может быть исправлена дальнейшей термической обработкой. Следует отметить, то, что изготовление ковкого чугуна требует строго соблюдения всех требований ГОСТ, технологических правил и регламентов. Только в этом случае можно говорить о получении качественного ковкого чугуна, которым допустимо заменять другие, дорогие материала – стали, цветные металлы.
Фазовая структура матрицы чугуна
Фазовую структуру высокопрочного чугуна – структуру матрицы – как и серого чугуна, контролируют процессом охлаждения, добавками легирующих элементов непосредственно перед разливкой и термической обработкой после разливки. В литом состоянии шаровидный чугун может быть ферритным, перлитным или, более часто, некоторой смесью перлитного и ферритного. На рисунке 3 представлена микрофотография шаровидного чугуна, структура которого является смесью небольшого количества феррито-перлитной структуры и преобладающей белой ферритной структуры.
Рисунок 4 – Шаровидный чугун со структурой матрицы преимущественно из феррита. Оптический микроскоп, 250х
Источник: John D. Verhoeven, Steel Metallurgy for Non-Metallurgists, 2007
Значение и метод нанесения цементно-песчаного покрытия
Метод нанесения цементно-песчаного покрытия (ЦПП) используется на производственных территориях, жилых районах и местах, где есть подземные коммуникации, для экономии средств во время реконструкции поврежденных трубопроводов.
Во время эксплуатации трубопровода, который обработан ЦПП, образуется гидрофильный шар, благодаря которому уплотняются утечки и убираются все дефекты трубы. Согласно нормативам ГОСТ технология восстановления трубопровода способом нанесения ЦПП используется для таких целей:
- Предупреждения образования налета внутри трубы;
- Предупреждения образования коррозии;
- Герметизации стыков;
- Повышения срока службы.
Устройство ВЧШГ трубы
Цементно-песчаное покрытие (ЦПП) представляет собой раствор из цемента и песка, который наносится на внутреннюю часть трубопровода методом центробежного набрызгивания. Важным преимуществом такого метода защиты является низкая стоимость материалов (песка и цемента).
Метод цементно-песчаного покрытия (ЦПП) регламентируется ГОСТ и используется при санировании старого и изношенного трубопровода. Такие работы значительно экономят время и финансовые затраты по сравнению с прокладыванием новых труб. Также ЦПП наносится на новые чугунные трубы хозяйственных, сельскохозяйственных и промышленных сфер. Благодаря своим микробиологическим свойствам ЦПП служит наилучшим материалом для системы водоснабжения. При монтаже чугунные трубы наращивают постепенно, соблюдая все условия проектной документации.
Чугунные трубы не требуют значительных усилий при монтаже, они просты в эксплуатации.
