Из истории высокопрочного чугуна

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 KeithDwightMillis в исследовательской лаборатории "InternationalNickelCompany" (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 называют днём рождения высокопрочного 7 мая 1948 года, когда состоялся съезд американских литейщиков в Филадельфии и фирмой "InternationalNickelCompany" было сделано публичное заявление о получении высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.

Однако авторы 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 (Castferrousalloy).

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...

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).

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).

Получение высокопрочного чугуна

Так как рост производства отливок из ВЧШГ обусловлен исключительно благоприятным сочетанием физико-механических, эксплуатационных и механических свойств этого материала, а также экономическими соображениями, объём производства и потребления отливок из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом непрерывно увеличивается.

Получение в структуре чугуна шаровидной формы графита основано на раздельной или совместной обработке жидкого чугуна магнием, РЗМ, кальцием и другими присадками, содержащими в том или ином количестве указанные (сфероидизирующие графит) вещества, присадками.

Наиболее распространённым в мировой практике способом получения высокопрочного чугуна является магниевый процесс, основанный на введении в расплав металлического магния, магниевых лигатур и комплексных модификаторов, содержащих магний.

По теории и практике применения высокопрочного чугуна при изготовлении отливок опубликовано очень большое количество работ, как нашими, так и зарубежными учёными. Равно как и по исследованию механизмов получения высокопрочных чугунов.

Несмотря на обилие трудов на эту тему, до сих пор дискуссионными остаются такие важные вопросы, как оптимальный состав модификатора, условия и технологии модифицирования, механизм образования графита, режимы термообработки и другие.

Конструкционные свойства и термическая обработка

Первой отличительной особенностью высокопрочного чугуна является компактная шаровидная форма включений графита. Шаровидный графит, имеющий минимальную поверхность при данном объёме, в меньшей степени ослабляет металлическую основу, чем пластинчатый графит серого чугуна. В отличие от пластинчатого шаровидный графит не является также активным концентратором напряжений. Все это обеспечивает значительное повышение прочности и особенно пластичности чугуна.

Второй отличительной особенностью высокопрочного чугуна является то, что в нем можно в широких пределах изменять структуру металлической основы (матрицы). В зависимости от этого могут быть получены различные показатели механических свойств.

Так, ферритные чугуны характеризуются высокой пластичностью при умеренной прочности и твёрдости. Более высокие временное сопротивление при растяжении, предел текучести и твёрдость имеют перлитно-ферритные чугуны, но пластичность их ниже. Нужные свойства чугунов этих двух классов получают непосредственно в литом состоянии без термообработки. Перлитные и бейнитные чугуны, несколько уступая перлитно-ферритным по пластичности, имеют гораздо более высокие показатели прочности и твёрдости. Это достигается введением в состав чугунов небольших добавок никеля и меди, а также термической обработкой – нормализацией (для перлитных чугунов) и изотермической закалкой с отпуском (для бейнитных).

Таким образом, важнейшей особенностью высокопрочного чугуна является высокий уровень механических свойств, соответствующий свойствам стали. Высокопрочный чугун может с успехом заменить не только стальное литье, но и поковки, что экономически выгодно.

По сравнению с углеродистой сталью высокопрочный чугун имеет следующие преимущества: более низкую температуру плавления, что облегчает технологию плавки и делает ее более дешевой; лучшую жид-котекучесть, что позволяет получать тонкостенные отливки, изготовление которых из стали затруднено; меньшую склонность к образованию горячих трещин, что значительно упрощает технологию производства отливок и сокращает брак литья; меньшую плотность, что позволяет снизить массу машин примерно на 8—10%; более высокую износостойкость, что увеличивает срок службы деталей машин; лучшую обрабатываемость резанием, что снижает расход режущего инструмента.

По сравнению с серым чугуном высокопрочный имеет не только более высокие механические свойства, но и лучшую свариваемость.