Сравнение герметичности высококачественных чугунов



В статье анализируются такие показатели, характеризирующие высококачественные чугуны, как жидкотекучесть, усадка, газовые включения, особенности кристаллизация, образование литейных напряжений, склонность к ликвации и другие, а также потребительские свойства. Получение высококачественного чугуна – задача сложная, оцениваемая показателем прочности. Данная методика позволяет оценить качество и применение серого ковкого и высокопрочного чугунов.

At the article analyzed indicators are characterizing high-quality cast iron as fluidity, shrinkage, gas consisting’s, crystallization features, formed casting stressing, addiction to segregation etc., and consumer properties as well. Reception the high-quality cast iron is a hard task, measuring by the hardness indicator. This method allows to measure its quality and application of gray, forging and high-strength cast iron.

Как известно, чугун — это литейныей сплав и к нему предъявляются требования по соблюдению различных войств, которые можно разделить на три основные группы: литейные, механические и эксплуатационные.

Номенклатура литейных свойств включает в себя газов и образованию газовых включений; склонность образованию неметаллических включений; особенности строения первичной и вторичной кристаллизации макро и микроструктуры; трещиноустойчивость; образование литейных напряжений; склонность к ликвации.

Механические свойства для каждого из видов сплава определяются соответствующими ГОСТами. В общем случае это различные отображения понятий прочности и пластичности (σ_в, НВ, σ_u, f, α_к, σ_-1 и др.).

Эксплуатационными свойствами чугунных отливок являются: герметичность, изностойкость, коррозионная стойкость и др.

Сравнение герметичности чугунов, выплавленных в различных плавильных агрегатах, показывает, что чугун, выплавленный в газовой вагранке, обладает большей герметичностью, чем чугун, выплавленный в коксовой вагранке.

Герметичность чугуна газовой плавки приблизительно равна герметичности чугуна индукционной плавки. Несколько большую герметичность имеет чугун, подвергнутый электрошлаковой обработке. Так, для С_э=3,91 превышение над газовой плавкой составляет 9 кг/см²∙мм².

Данные [1] по износостойкости чугуна, выплавленного в коксовой и газовой вагранках, показали, что износостойкость чугуна газовой плавки выше, чем чугуна коксовой плавки. Это объясняется более благоприятной структурой металлической матрицы и равномерным распределением мелких включений графита.

Влияние ЭШО на герметичность чугуна представлено в таблице 1.

Таблица 1

Износ образцов исходного чугуна ичугуна после ЭШО

Условия выплавки	Флюс	Углеродный эквивалент	Неподвижный образец		Подвижный образец
			Средний износ зоны одного отпечатка мм3	Суммарный износ всех зон, мм3	Средний износ зоны одного отпечатка, мм3	Суммарный износ всех зон, мм3
Исходный чугун до электрошлакового перегрева			0,40	0,210	0,132	1,188
		3,90	0,033	0,198	0,106	0,954
			0,042	0,252	0,085	0,765
Средний износ Электрошлаковая печь			-	0,230	-	0,969
			0,014	0,084	0,036	0,324
	1	3,91	0,015	0,090	0,032	0,288
			0,018	0,108	0,041	0,369
Средний износ Электрошлаковая вагранка			-	0,094	-	0,327
			0,011	0,066	0,031	0,279
	18		0,013	0,078	0,021	0,216
			0,005	0,030	0,051	0,459

Из приведённых данных видно, что чугун после электрошлаковой обработки при том же углеродном эквиваленте становится гораздо более износостойким. Износ неподвижного образца сокращается в 2,45–3,96 раза, износ подвижного образца в 2,97–3,05 раза. В среднем, можно сказать, что износ уменьшается в 3 раза. Это объясняется более перлитной структурой матрицы, размером и распределением графита. Дисперстность перлита чугуна после электрошлаковой обработки становится значительно выше.

Высокая износостойкость чугуна электрошлаковой плавки позволяет рекомендовать его для изготовления деталей, работающих на износ.

Вышеприведённые данные о механических свойствах чугуна наглядно показали преимущества чугуна, выплавленного в газовых вагранках, и чугуна, обработанного электрошлаковым способом под флюсами, то есть способами, не приводящими к значительным изменениям в химическом составе чугуна.

С целью сравнения полученных высоких свойств чугуна газовой плавки и чугуна после ЭШО был произведён статистический анализ производственных данных по методике, изложенной в [1]. Это было сделано в связи с тем, что непосредственное сравнение свойств затруднено.

Как известно, главным потребительским свойством чугуна является наличие требуемой формы и размеров, воплощённых достаточно плотным металлом без внешних и внутренних литейных дефектов, наличие которых связано с присуствием в чугуне вредных примесей. Исходя из вышеизложенногог, можно дать следующее определение:

Высококачественный чугун — это литейный сплав определённого химического состава с минимальным содержанием вредных примесей, позволяющий получать литую деталь требуемойконфигурации с заданными размерами, имеющий структуру металлической матрицы с равномерно расположенными включениями графита, без внешних или внутренних дефектов и обеспечивающий реализацию требуемых эксплуатационных характеристик.

Получение высококачественного чугуна — задача сложная, так как многообразие факторов, влияющих на качество чугуна, охватывает очень много положений: от качества исходных шихтовых материалов до количества и вида модификаторов, вводимых на заключительной стадии процесса. Сюда входят режимы плавки структуры и свойств в отливке [1].

Для сравнительной оценки свойств аналогичных чугунов целесообразно ввести показатель качества, который, может быть выражен следующей формулой [1]:

_,

Где П_{л.с. —} показатель литейных свойств, например, для жидкотекучести его можно вывести как

где λ_д – жидкотекучесть действительная, λ_н – жидкотекучесть нормативная и т. д.; П_м.с., П_э.с., П_т.с., — показатели для механических, эксплуатационных и технологических свойств; m, n, l, p — число показателей; к — число групп свойств.

Из общей для всех сплавов номенклатуры литейных свойств для чугуна можно отобрать наиболее важные. Не уменьшая при этом значения остальных. Это, очевидно, будут жидкотекучесть, усадка, величина отбела. Такой выбор обосновывается тем, что примерно, все чугуны имеют в равной мере взаимосвязь образования напряжений с величиной усадки, структуры с величиной отбела и т. д. словом, взаимосвязь свойств в чугуне обуславливает возможность выразить литейные свойства через три основных показателя:

Где — показатель жидкотекучести; П_δ — показатель усадки,

— усадка номинальная линейная; — усадка действительная линейная; и — объёмы концентрированной усадочной раковины номинальные и действительные.

Очевидно, что чем выше , тем более вероятны различные искажения геометрии отливки и образование трещин. Поэтому показатель линейной усадки взят в степени -1. Объём концентрированной усадочной раковины, наоборот, характеризует плотность отливки: чем он выше по сравнению со средним номинальным, тем отливка более качественная. Далее

b_н и b_д — номинальная и действительная толщина отбела на пробе.

Отбел как показатель литейных свойств не должен превышать до модифицирования определённой величины. Поэтому он тоже взят в степени -1.

Сумма показателей механических свойств:

и — предел прочности на разрыв (действительный и номинальный); и — то же на изгиб; и — стрела прогиба (действительная и номинальная).

Следующая группа свойств — эксплуатационные. Для серого чугуна — это герметичности и износостойкость:

и — герметичность действительная и номинальная; и — износ действительный и номинальный.

Герметичность, определяемая на герметометре, выражается как отношение давления к квадрату толщины Р/х² кг/см²∙мм² Износ в мм³, естественно, входит в это выражение в степени -1, так как износ — показатель, обратный износостойкости.

Из технологических свойств для чугуна может иметь значение лишь обрабатываемость, которая характеризуется при прочих равных условиях затуплением режущего инструмента (h) при определённом времени испытания (Т) в общем случае:

где О_д и О_н — обрабатываемость действительная и номинальная.

Очевидно, что при использовании в качестве показателя обрабатываемости затупления режущего инструмента необходимо взять показатель в степени -1.

Приведённая методика позволяет численно оценить качество чугуна. Это необходимо для сравнения, например, двух идентичных чугунов, по ГОСТу попадающих под одну марку, но по качеству всё же отличающихся. Очевидно, что для дальнейшей количественной оценки качества необходима углублённая разработка математической оценки качества, установление самих номинальных значений для всех показателей и т. д.

Например, для сравнения одной и той же марки чугуна, выплавленного в коксовой и газовой вагранках, для углеродного эквивалента 3,61–3,62 эти значения равны:

,

Установлено также, что чугун из газовой вагранки обладает более высоким значением :

Наибольшее распространение имеет серый чугун (ГОСТ 1412–25). Одна из его разновидностей — чугун с вермикулярным графитом [2].

Сочетание высоких металлических свойств с повышенной теплопроводностью позволяет успешно применять его в машиностроении.

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом (ГОСТ 7293–85) находит всё более широкое применение в промышленности. Он обладает высокими механическими свойствами.

Шаровидный графит в меньшей степени, чем пластинчатый, ослабляет прочность металлической матрицы. Металлическая матрица может иметь любую, известную для чугуна структуру, что вместе с формой графита позволяет получать сочетание свойств, недостижимое ни для одного из других видов чугуна [3].

Легирование магниевого чугуна никелем и медью понижают его склонность к отбелу и препятствуют выделению структурно-свободного феррита при эвтектическом превращении. Аналогично влияет и микролегирование оловом и сурьмой.

Повышенный интерес к ванадию обусловлен тем, что при достижении в белом чугуне определенного критического содержания ванадия происходит полная инверсия микроструктуры аустенитно-карбидной эвтектики: матрица становится аустенитной (перлитной после охлаждения отливок).

Дисперсное распределение в ней высокотвёрдых с H₂₀ -2000 и износостойких карбидов ванадия превращает такой белый чугун в своеобразный литой своеобразный материал, обладающий не только повышенной прочностью, но и пластичностью. Кроме того, ванадий сравнительно мало растворим в аустените и цементите, и даже при весьма малых его концентрациях в чугуне он образует собственный карбид.

После выделения последнего склонность к графитизации остальной части чугуна изменяется мало, уменьшаясь в основном лишь в меру снижения эффективного содержания углерода. Следовательно можно рассчитывать, что при легировании ванадием высокоуглеродистых чугунов в них будет оставаться достаточно углерода для графитизации при кристаллизации. Очевидно этому будет способствовать и повышенное содержание Si в чугуне, а также Cu. [4]

Ковкий чугун (ГОСТ 1215–91) обладает рядом специфических особенностей, обеспечивающих его довольно широкое распространение в сельскохозяйственном, транспортном машиностроении и других отраслях.

Ковкий чугун имеет однородные свойства по сечению, обладает высокими механическими свойствами и очень хорошей обрабатываемостью; в отливках из него практически отсутствуют напряжения [4].

Три вида чугуна — СЧ, ВЧ, и КЧ — наиболее широко применяются в промышленности. Их высокое качество может создать реальную основу для снижения массы отливок деталей машин и оборудования, то есть для экономии металла в машиностроении.

Выводы. Высокопрочный чугун — это чугун с особыми литейными свойствами как герметичность, высокой жидкотекучести, механических и эксплуатационных свойств, хорошо подвергаемый механической обработке на станках.

Показатель качества чугуна охватывает всё наиболее важные показатели чугуна и может служит характеристикой чугуна как литейного сплава.

Применение ВЧ вместо серого и ковкого чугунов снижает массу детали, повышает надёжность и стойкость, применение ВЧ вместо стали повышает литейные свойства отливки, повышает механические свойства.

Литература:

1. Грачёв В. А., Расулов С. А. Получение высококачественного чугуна для отливок, Ташкент, Узбекистан, 1983 г., 222 с.
2. S. A. Rasulov, N. D. Turaxodjayev Metallurgiyada quyish texnologiyasi, Toshkent, Cholpon, 2007 у., 214 b.
3. Карпов И. С. и другие. Технология литейного производства, Красноярск, 2015 г.,420 с.
4. Трухов А. П., Моляров А. И. Литейные сплавы и плавка, Москва, Академа, 2005 г., 334 с.