Высокопрочный чугун, он же ЧШГ — чугун с шаровидным графитом, получают модифицированием расплава жидкими присадками. Магния вводят 0,1...0,5 % от массы обрабатываемой порции, церия, иттрия и некоторых других элементов — 0,2...0,3 %. Перед вводом модификаторов из чугуна обязательно убирают серу: её остаток должен быть не выше 0,02...0,03 %, иначе модификатор уйдёт в шлак, а не в расплав.
Как получают высокопрочный чугун
Модифицирование — это не просто добавка в ковш. Магний в чугуне кипит и горит, поэтому его вводят в герметичной камере или под колоколом, а из расплава перед этим снимают серу. Остаточное содержание магния держат в узком коридоре: мало — графит останется пластинчатым, много — полезут газовые раковины и шлак. Именно из-за этого коридора у ВЧ больше отбраковки по образцам, чем у серого чугуна.
Химический состав подбирают под толщину стенки: 2,7...3,7 % углерода, 0,5...3,8 % кремния. Чем тоньше стенка, тем больше углерода и кремния закладывают в шихту — тонкое сечение остывает быстро и без запаса графитизирующих элементов уйдёт в отбел.
Химический состав и структура
Чтобы в высокопрочном чугуне не образовался ледебурит, отливки проходят графитизирующий отжиг. Повышенное содержание углерода и кремния сокращает его продолжительность — отжиг ВЧ короче, чем отжиг белого чугуна, именно по этой причине.
Структура состоит из металлической основы и включений графита шаровидной формы. Основа бывает ферритной или перлитной, и от неё зависят прочность с твёрдостью. Шар при данном объёме имеет минимальную поверхность, поэтому металлическую основу он ослабляет куда меньше, чем пластина: шаровидный графит не работает активным концентратором напряжений. Отсюда и разрыв в свойствах — ферритные чугуны дают σ0,2 = 220...310 МПа, δ = 22...10 %, твёрдость 140...225 НВ, перлитные — σ0,2 = 370...700 МПа, δ = 7...2 % и 153...360 НВ.
Обычно советуют выбирать марку «по запасу прочности» — на практике это переплата за более твёрдую марку там, где деталь работает без ударных нагрузок. Лишние 50 МПа в марке стоят обрабатываемости резанием и лишнего инструмента у вашего же токаря.
Марки по ГОСТ 7293-85
Марки высокопрочных чугунов по ГОСТ 7293-85 состоят из букв «ВЧ» и цифр, соответствующих минимальному временному сопротивлению при растяжении σв в МПа, уменьшенному в 10 раз. ВЧ50 — это не менее 500 МПа на разрыв. По типу основы ряд делится на две группы: ВЧ35, ВЧ40, ВЧ45 — ферритные, ВЧ50, ВЧ60, ВЧ70, ВЧ80, ВЧ100 — перлитные.
| Марка | Тип металлической основы | σв, МПа, не менее | σ0,2, МПа | δ, % | Твёрдость НВ |
|---|---|---|---|---|---|
| ВЧ35 | ферритная | 350 | 220...310 | 22...10 | 140...225 |
| ВЧ40 | ферритная | 400 | |||
| ВЧ45 | ферритная | 450 | |||
| ВЧ50 | перлитная | 500 | 370...700 | 7...2 | 153...360 |
| ВЧ60 | перлитная | 600 | |||
| ВЧ70 | перлитная | 700 | |||
| ВЧ80 | перлитная | 800 | |||
| ВЧ100 | перлитная | 1000 |
Значения σ0,2, δ и НВ в таблице даны по группам основы — в исходных данных по каждой марке отдельно они не приводятся, и подставлять сюда цифры «по памяти» я не стала.
Свойства высокопрочного чугуна
Литейные и потребительские свойства ВЧ — это обрабатываемость резанием, способность гасить вибрации, высокая износостойкость и ряд других. По прочности и пластичности материал подходит близко к литой стали, но сохраняет чугунные преимущества: хорошую жидкотекучесть, меньшую усадку, низкую температуру плавки.
Гашение вибраций для корпусных деталей и станин значит не меньше прочности. Чугун с шаровидным графитом глушит колебания лучше стали, поэтому из него делают основания станков и корпуса там, где важна не только нагрузка, но и поведение металла в работе.
Формовку таких отливок ведут в ХТС — против холоднотвердеющих смесей по точности и чистоте поверхности другие способы в наших условиях проигрывают: литьё в ХТС даёт предсказуемые припуски на деталях сложной геометрии. О том, как форма влияет на геометрию и допуски, стоит читать не статью, а конкретный чертёж — на тонкостенной детали разница между способами видна сразу.
Применение высокопрочного чугуна
Используют ВЧ для массивных отливок взамен стальных литых и кованых деталей — цилиндры, шестерни, коленчатые и распределительные валы и другие. Такие отливки завод «Промдеталь» льёт по чертежам заказчика: отливки из высокопрочного чугуна на заказ. Замена стального литья и поковок на ВЧ даёт сопоставимую прочность при меньшей температуре плавки и более простой мехобработке.
Серый чугун с пластинчатым графитом сдаёт там, где появляются ударные и знакопеременные нагрузки: пластина работает концентратором напряжений, и деталь ломается хрупко. Если сравнивать ряды по маркам, полезно держать под рукой и серый чугун по ГОСТ 1412-85 — лучшие его марки дотягивают до 350 МПа, тогда как перлитные ВЧ переваливают за 700.
Часть деталей — валы, шестерни, корпуса под давлением — делают из стального литья, но на серии переход на ВЧ обычно окупается. Оплата этой экономии — тот самый узкий коридор по сере и магнию в плавке.
Рядом с серыми, ковкими и легированными чугунами марки ВЧ удобнее сравнивать в общей таблице: все марки чугуна по группам.
Термическая обработка отливок из ВЧ
Для повышения механических свойств — пластичности и вязкости — и снятия внутренних напряжений отливки подвергают термической обработке: отжигу, нормализации, закалке и отпуску.
Чугунные изделия имеет смысл подвергать объёмной закалке. Мелкоигольчатый мартенсит в закалённом поверхностном слое поднимает износостойкость в три и более раз. Термообработка почти всегда идёт в паре с последующей механической обработкой отливок — закалённую корку снимают, иначе резец по ней не идёт.
Для износостойкости применяют и азотирование, иногда с последующей обдувкой дробью. В поверхностных слоях изделия при этом создаются благоприятные сжимающие напряжения — они и держат деталь против усталостных трещин.
Хотите посмотреть, что из этого получается на реальных деталях, — загляните в раздел наши работы: там отливки корпусов, шкивов, колёс и модельная оснастка без ретуши.
Заказать отливки из высокопрочного чугуна
Завод «Промдеталь» льёт чугунное литьё на заказ и изготавливает модельную оснастку по чертежу или 3D-модели. Отливки ВЧ — от 1 штуки до серии, расчёт по чертежу за 1 рабочий день. Подробности, марки и цена — на странице отливки из высокопрочного чугуна.