Особенности высокопрочного чугуна

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом представляет собой уникальное сочетание физико-механических характеристик, которое было достигнуто через модификацию графитовых частиц в чугуне. Это соединение было получено с помощью добавления магния в состав сплава.

Высокопрочный чугун: свойства, характеристики, сферы применения

Высокопрочный чугун используется в тех областях, где многие другие марки стали не выдерживают нагрузки, поскольку он превосходит их как по химическим, так и по механическим свойствам. Он находит свое применение в различных отраслях, таких как промышленность, машиностроение и строительство.

Сравнительно простые технологические процессы, применяемые при выплавке и литье высокопрочного чугуна, позволяют снизить стоимость конечного продукта. Важно отметить, что процент дефектов в высокопрочном чугуне гораздо ниже, чем при производстве стали, что делает его серьезным конкурентом традиционным сталям.

История высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ВЧШГ)

В середине XX века американский металлург Кейт Дуайт Миллис, добавив магний в расплавленный чугун, столкнулся с тем, что полученное литье приобрело удивительные свойства: вместо характерных пластинок графита, присущих обычному чугуну, появился идеальный графит в виде шариков.

Забавно, что это открытие произошло всего через несколько дней после того, как на одном из съездов американских литейщиков некий Дж. В. Болтон выступил с идеями о возможности изменения формы графитовых включений в структуре серого чугуна в будущем.

С 1943 года начинается отсчет истории чугуна высокой прочности с шаровидным графитом. Многие исследования указывают на 7 мая 1948 года как на дату вида официального объявления о получении образцов высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, сделанного представителем компании International Nickel на съезде литейщиков Северной Америки.

Тем не менее, более точным считается дата 25 октября 1949 года, когда Кейт Миллис наконец-то получил патент на свое изобретение высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.

В это же время в Советском Союзе металлурги также проявляют интерес к этому новому материалу. Киев и Москва становятся центрами для активных исследований физических и химических свойств этих новых американских сплавов. Начинают свою работу научные группы, задача которых заключается в разработке технологии выплавки различных видов высокопрочного чугуна и изучении их свойств.

Следует подчеркнуть, что в соответствии с отечественным государственным стандартом (ГОСТ 7293, принятым в 1985 году), в названии которого упомянут чугун с шаровидным графитом для литейных изделий, также регламентируется производство ВЧВГ — высокопрочного чугуна с вермикулярным графитом, структура которого характеризуется графитом в виде червеобразных включений.

Что это такое и как его получают?

Для начала стоит уточнить, что это твердое углеродистое вещество, содержащие графит в форме шариков или сфер. Именно такая форма графита обеспечивает прочную межатомную связь, что позволяет этому материалу выдерживать значительные нагрузки. Поэтому высокопрочный чугун почти незаменим в машиностроении. Основная особенность данного материала заключается в его неоднородности по всему объему. Структура отдельных фрагментов чугуна, взятых из разных участков изделия, может значительно различаться. Однако единство все же прослеживается: форма шариков сохраняется, существует заметная различность в строении. С помощью термической обработки этот материал может быть дополнительно улучшен, что делает его еще более востребованным. Он теперь частично заменяет литейные изделия, которые раньше изготавливались из серого или ковкого чугуна, например, в производстве кулачковых и коленчатых валов.

Процесс получения этого материала заключается в обработке серого чугуна с добавлением магния или церия. Магний используется значительно чаще, поскольку именно с его помощью чаще всего получают пластичное железо (так и называют высокопрочный чугун). Церий применяется реже, так как он является карбидобразующим элементом. Исторически, сфероидальный графит в сером чугуне начали производить в середине прошлого века, однако путь к современным методам был непростым. Исследователи в США нашли способ получения сфероидального графита в литом чугуне, введя добавку в состав расплава, которая была гиперэвтектической и содержала магний.

Коммерческий успех этого способа предопределил широкое использование магния, который используется по сей день. Интересно, что вопросы о том, как именно образуются графитовые узелки, до сих пор остаются предметом дебатов в научной среде, хотя это мало влияет на производственные технологии. На сегодняшний день высокопрочный чугун в основном производится путем обработки серого чугуна.

Сначала расплав серого железа обессеривается, а затем, когда основное железо готово, подвергается специальной обработке, что запускает процесс сфероидизации. Последующий процесс разворачивается с соблюдением сложных технических условий, что и приводит к образованию уникального материала.

Свойства

Пластичное железо привлекает внимание в первую очередь своей высокой прочностью, которая иногда превышает даже прочность стали. Какими другими характеристиками обладает этот чугун:

• достаточная пластичность (это также подчеркивается во втором его названии);
• превосходные литейные свойства;
• отличная обрабатываемость;
• низкая плотность по сравнению со сталью;
• достаточно хорошие смазочные свойства поверхности;
• усовершенствованные демпфирующие качества материала.

В высокопрочном чугуне содержание углерода ограничивается 4%, причем более предпочтительным считается диапазон от 3 до 4 процентов. Когда содержание углерода невысокое, это приводит к увеличению количества сфероидов. Путем увеличения углерода также улучшается литейная способность, что способствует лучшей текучести и подаче расплава. Также в составе чугуна присутствует кремний, который является очень мощным активатором. Он не только активирует графит и улучшает его распределение, но и способствует повышению общей механической прочности. Пластичность чугуна в литом виде также увеличивается за счет кремния, который, будучи стабилизатором феррита, способствует увеличению твердости. Присутствие кремния также заметно влияет на распределение графитовых сфероидов: чем больше кремния, тем больше образуется узелков и феррита.

Тем не менее, чрезмерное количество кремния приведет к образованию массивного графита, что, в свою очередь, может ухудшить качество отливок. Таким образом, необходимо осторожно подходить к увеличению содержания кремния в сплаве, поскольку это может отрицательно сказаться на его других свойствах, включая уменьшение энергии удара, снижение теплопроводности и увеличение температуры на момент удара. Показатель содержания марганца в пластичном железе не должен превышать 0,5%. Также важно контролировать уровень серы, который не должен превышать 0,01%. Рассматривая главные химические составляющие, стоит отметить высокие литейные качества чугуна, а явление ликвации при производстве таких чугунов практически отсутствует. Отливки из высокопрочного чугуна хорошо поддаются механической обработке — их можно обрабатывать резанием: точить, фрезеровать, шлифовать. Изделия из данного материала хорошо работают в узлах давления и трения.

Ковкий чугун в автомобилестроении

Ковкий чугун отличается большей прочностью и жесткостью по сравнению с серым чугуном. Он получается путём обработки высокоуглеродистого эквивалента железа с использованием магния или церия, что приводит к образованию графитовых сфер, которые растут во время процесса затвердевания.

Наиболее распространенные области его применения — детали в автомобильной промышленности, требующие высокой прочности и ударной вязкости при различных нагрузках, включая термическое воздействие. Из ковкого чугуна отливаются такие детали, как коленчатые и распределительные валы, выпускные коллекторы, поворотные кулаки, рычаги подвески, а также держатели дифференциала и пружинные пряжки.

Качественная обработка ковкого чугуна играет важную роль в определении его свойств. Начальный этап в производстве ковкого чугуна подразумевает удаление излишков серы из расплавленного чугуна. Сера иногда добавляется в серый чугун, так как она способствует образованию графитовых хлопьев, из-за чего ее содержание в расплаве ковкого чугуна должно быть минимальным. Удаление серы осуществляется путем добавлении оксида кальция либо других компонентов.

Цементит в структуре белого чугуна

При соблюдении правильного соотношения углерода и высокой скорости охлаждения атомы углерода комбинируются с железом, образуя карбид железа. Это означает, что в затвердевшем материале практически нет свободных молекул графита, что и приводит к образованию белого чугуна. При срезе такого сплава изломанная поверхность будет белой из-за отсутствия графита.

Микрокристаллическая структура цементита обладает высокой твердостью и хрупкостью, обеспечивает отличные характеристики прочности на сжатие и хорошую износостойкость. Одним из самых популярных видов белого чугуна считается чугун с добавлением никеля. Использование хромовых и никелевых сплавов придаёт этому материалу превосходные свойства для работы в условиях незначительных нагрузок при трении или скольжении.

Обычный белый чугун имеет ограниченное применение, так как он плохо поддается механической и термической обработке. При его производстве часто используются необработанные или частично обработанные отливки.

Сферы применения

Чугун представляет собой универсальный и сравнительно доступный по цене материал. Поэтому он широко используется в разнообразных отраслях промышленности, включая машиностроение, металлургию, строительство и жилищно-коммунальное хозяйство — от производства труб до создания крупных металлоконструкций, таких как мосты.

• Литье является основным методом создания чугунных изделий. Оно позволяет изготавливать продукцию сложной конфигурации с достаточной точностью.
• Механическая обработка нужна для получения высокоточнительных деталей сложного профиля. В этом процессе используются различные инструменты, такие как фрезы, сверла, резцы и шлифовальные круги.
• Термообработка направлена на улучшение эксплуатационных характеристик чугуна, включая прочность, твердость и вязкость. Методы термообработки включают закалку, отпуск и нормализацию.

При обработке чугуна необходимо применять специализированные инструменты и оборудование, предназначенные для работы с хрупкими материалами. Также важно использование смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ), которые способствуют снижению износа инструмента и защите самого изделия от коррозии.

Обработка чугунных изделий и заготовок требует определенных навыков и опыта. При соблюдении всех правил обработки возможно получение изделий с высокими эксплуатационными характеристиками.

Значение и метод нанесения цементно-песчаного покрытия

Метод нанесения цементно-песчаного покрытия (ЦПП) активно применяется для территорий производственного назначения, жилых микрорайонов и зон с подземными коммуникациями — это позволяет значительно снизить затраты при реконструкции поврежденных трубопроводов.

Во время эксплуатации трубопровода, обработанного ЦПП, формируется гидрофильный шар, который способствует уплотнению утечек и устранению всех структурных дефектов трубы. Согласно нормам ГОСТ, технология восстановления трубопровода с использованием ЦПП применяется для следующих целей:

• Преобразования и предотвращения образования налета внутри трубы;
• Защиты от коррозии;
• Герметизации стыков;
• Увеличения срока службы трубопроводов.

Устройство ВЧШГ трубы

Цементно-песчаное покрытие (ЦПП) представляет собой смесь цемента и песка, которая наносится на внутреннюю поверхность трубопроводов методом центробежного набрызгивания. Одной из ключевых преимуществ этого метода защиты является низкая стоимость исходных материалов (песка и цемента).

Метод ЦПП подразумевает строгое соблюдение ГОСТ и используется для санации старых и изношенных трубопроводов. Применение этой технологии значительно сокращает время и финансовые затраты по сравнению с прокладкой новых труб. ЦПП также наносится на новые чугунные трубы, используемые в хозяйственных, сельскохозяйственных и промышленных сферах. Благодаря своим микробиологическим свойствам, ЦПП является идеальным материалом для систем водоснабжения. При монтаже чугунные трубы устанавливаются поэтапно с соблюдением всех требований проектной документации.

Чугунные трубы не требуют значительных усилий при установке и являются удобными в эксплуатации.

Чугунные изделия Свободного сокола

Одним из ведущих производителей чугунной продукции из высокопрочного чугуна является завод Свободный сокол, расположенный в Липецке. В настоящее время это предприятие включает 19 цехов с современным оборудованием и развитой инфраструктурой, производя более 800 тысяч тонн чугуна ежегодно.

Продукция завода «Свободный сокол» отличается следующими характеристиками:

• Чугунные трубы, производимые заводом, предназначены для коммунальной сферы;
• Изделия обладают высокой прочностью;
• Завод «Свободный сокол» является единственным производителем труб из высокопрочного чугуна для питьевого водоснабжения в России;
• При производстве продукции завод соблюдает все нормативы и требования ГОСТ;
• Чугунные трубы сертифицированы по международным стандартам.

Сегодня ЛМЗ «Свободный сокол» представляет собой современное предприятие, оснащенное специализированным оборудованием от известных мировых производителей, что позволяет осуществлять поставки продукции не только по России и странам СНГ, но и в Европу и Азию.

На протяжении многих лет апробирования высокопрочного чугуна было подтверджено, что это уникальный и незаменимый сплав, не имеющий равных по прочности и антикоррозийной устойчивости.