Высокопрочный чугун с шаровидным и вермикулярным графитом рациональная альтернатива ковкому чугуну
Статьи от автора: Болдырев Д.А.Установлено, что высокопрочный чугун с шаровидным и вермикулярным графитом по своим механическим свойствам является рациональной альтернативой ковкому чугуну, а именно марке КЧ45-6 (ГОСТ 1215-79), а также определено соотношение шаровидный/вермикулярный графит (70…95/5…30%), обеспечивающее получение данных механических характеристик. Показаны отличия в соотношении перлит/феррит и твёрдости для высокопрочного чугун с шаровидным и вермикулярным графитом и ковкого чугуна, обеспечивающие марку 45-6.
Ключевые слова: ковкий чугун, чугун с шаровидным и вермикулярным графитом.
It has been established that high-strength cast iron with spherical and vermicular graphite in its mechanical properties is a rational alternative to forged cast iron, namely ductile cast iron 45-6 (GOST 1215-79), as well as the ratio spherical/vermicular graphite (70... 95/5... 30%), which provides for the acquisition of these mechanical characteristics. Differences in the ratio of pearlite/ferrite and hardness for high-strength cast iron with spherical and vermicular graphite and ductile cast iron are shown, providing a brand of 45-6.
Keywords: ductile cast iron, cast iron with spherical and vermicular graphite.
Ковкий чугун (КЧ) долгое время с успехом использовавшийся для средне- и тяжелонагруженных деталей машино- и автомобилестроении, в производстве железнодорожной продукции и сельхозоборудования [1] в последствии был практически полностью вытеснен высокопрочным чугуном с шаровидным графитом (ВЧШГ). Исключение составили мелкие и/или тонкостенные отливки с толщиной стенки до 3 мм, тогда как отливки из ВЧ изготавливаются с минимальной толщиной стенки 6 мм.
При сравнении линейки марок КЧ (ГОСТ 1215) и ВЧШГ (ГОСТ 7293) очевидно, что хлопьевидный графит является несколько более сильным концентратором напряжений по сравнению с глобулярным графитом, в результате прочностные и пластические свойства КЧ ниже, чем у ВЧШГ. При этом технологически получение заготовок из КЧ является более дорогим процессом, чем получение отливок из ВЧШГ. Здесь энерго- и трудоёмкость технологии получения КЧ существенно превалирует над материалоёмкостью технологии получения ВЧ.
Долгое время в чугунолитейном производстве стереотипно считалось, что высокопрочный чугун при содержании в его структуре вермикулярного графита более 20% является однозначным браком. Не рассматривалось и не изучалось влияние изменение содержания вермикулярного графита в диапазоне от 20 до 60% на прочностные и пластические характеристики чугуна. Однако в современных условиях, когда на практике реализуется более рациональный подход к закладыванию свойств сплава для конкретной детали или группы деталей на основе применения математического моделирования, возникает необходимость в сплавах с комбинированным сочетанием свойств. Его может обеспечить так называемый высокопрочный чугун с шаровидным и вермикулярным графитом (ВЧШВГ), который по своей сути в части микроструктуры является гибридным чугуном. По соотношению шаровидного и вермикулярного графита он не может быть строго отнесёт к ВЧШГ ввиду содержания вермикулярного графита более 20%, но и не является чугуном с вермикулярным графитом (ЧВГ), так как содержание в нём вермикулярного графита менее 60%.
Новый рациональный подход к использованию данного типа чугуна реализуется не только в нашей стране. Например, по информации из доклада и презентации (слайд 19) специалистов японской компании Toyo Denka Kogyo, специализирующейся на производстве модифицирующих материалов для чугуна, именно такой тип чугуна без пластинчатого графита и с содержанием вермикулярного графита 20-60% называется «ВЧ/ЧВГ» [2] и имеет определённое распространение в Японии. Из отечественных предприятий отливки из данного типа чугуна изготавливает УРАЛаз. Наименование материала в технической документации предприятия – ВЧ40-50. В отечественной практике данный тип чугуна нашёл своё применение, в частности, в чугунолитейном производстве АО «АВТОВАЗ» для средненагруженных (в том числе и термонагруженных) деталей шасси и двигателя автомобиля, таких как: коллектор выпускной; картер редуктора заднего моста; крышка подшипника дифференциала заднего моста; кронштейн правой опоры подвески двигателя (как 8-ми, так и 16-ти клапанного); кронштейн опоры подвески двигателя; кронштейн крепления заднего тормоза.
В качестве примера приведём для 2-х последних отливок фактические данные по механическим свойствам ВЧШВГ (табл. 1), полученные при его паспортизации (рис. 1, 2). Анализ фактических химического состава, структуры и свойств чугуна в отливках кронштейнов крепления заднего тормоза показывает, что при химическом составе (%) С 3,50-3,78; Si 2,26-2,53, Mn 0,27-0,34; P 0,020-0,025%; S 0,005-0,010%; Cr 0,043-0,084; Cu 0,15-0,34; Mg 0,02-0,04 соотношении перлит/феррит 8…35/65…92% и твёрдости 177-207 НВ позволяет идентифицировать его марку как КЧ45-6 (ГОСТ 1215-79).
|
|
|
|
Рис. 1. Кронштейн крепления заднего тормоза авт. Vesta SW (1) |
Рис. 2. Кронштейн крепления заднего тормоза авт. X-Ray SW (2) |
Таблица 1. Химический состав отливок кронштейнов крепления заднего тормоза
|
№ п/п |
Отливка (рис.1-2) |
C |
Si |
Mn |
P |
S |
Cr |
Cu |
Mg |
|
1 |
1 |
3,59 |
2,30 |
0,32 |
0,022 |
0,007 |
0,054 |
0,25 |
0,022 |
|
2 |
1 |
3,55 |
2,36 |
0,32 |
0,021 |
0,007 |
0,084 |
0,21 |
0,020 |
|
3 |
1 |
3,58 |
2,37 |
0,31 |
0,021 |
0,005 |
0,046 |
0,23 |
0,025 |
|
4 |
1 |
3,50 |
2,30 |
0,34 |
0,025 |
0,008 |
0,061 |
0,20 |
0,031 |
|
5 |
2 |
3,59 |
2,40 |
0,30 |
0,020 |
0,005 |
0,049 |
0,23 |
0,023 |
|
6 |
1 |
3,70 |
2,53 |
0,32 |
0,022 |
0,008 |
0,069 |
0,24 |
0,030 |
|
7 |
1 |
3,62 |
2,26 |
0,34 |
0,020 |
0,006 |
0,053 |
0,34 |
0,022 |
|
8 |
1 |
3,57 |
2,40 |
0,31 |
0,022 |
0,008 |
0,052 |
0,21 |
0,037 |
|
9 |
1 |
3,56 |
2,33 |
0,35 |
0,021 |
0,008 |
0,070 |
0,25 |
0,034 |
|
10 |
2 |
3,78 |
2,34 |
0,28 |
0,020 |
0,010 |
0,044 |
0,27 |
0,040 |
|
11 |
1 |
3,62 |
2,27 |
0,27 |
0,020 |
0,010 |
0,043 |
0,26 |
0,023 |
|
12 |
2 |
3,57 |
2,28 |
0,31 |
0,022 |
0,007 |
0,053 |
0,19 |
0,020 |
|
13 |
1 |
3,60 |
2,42 |
0,31 |
0,025 |
0,008 |
0,049 |
0,20 |
0,038 |
|
14 |
1 |
3,58 |
2,40 |
0,33 |
0,023 |
0,009 |
0,045 |
0,15 |
0,030 |
|
15 |
1 |
3,60 |
2,36 |
0,31 |
0,022 |
0,008 |
0,046 |
0,15 |
0,027 |
|
16 |
1 |
3,55 |
2,40 |
0,29 |
0,022 |
0,006 |
0,040 |
0,18 |
0,027 |
|
17 |
1 |
3,55 |
2,40 |
0,29 |
0,022 |
0,007 |
0,040 |
0,18 |
0,037 |
|
Диапазон |
3,50-3,78 |
2,26-2,53 |
0,27-0,35 |
0,020-0,025 |
0,005-0,010 |
0,043-0,084 |
0,15-0,34 |
0,02-0,04 |
|
Таблица 2. Структура и свойства отливок кронштейнов крепления заднего тормоза
|
№ п/п |
Отливка (рис.1-2) |
Структура |
Свойства |
|||
|
П/Ф |
ШГ/ВГ |
НВср |
sв, МПа |
d, % |
||
|
1 |
1 |
20/80 |
75/25 |
207 |
451 |
6,0 |
|
2 |
1 |
20/80 |
80/20 |
207 |
461 |
6,0 |
|
3 |
1 |
15/85 |
90/10 |
190 |
461 |
6,5 |
|
4 |
1 |
20/80 |
80/20 |
199 |
451 |
6,0 |
|
5 |
2 |
15/85 |
80/20 |
196 |
461 |
6,5 |
|
6 |
1 |
20/80 |
90/10 |
199 |
466 |
7,0 |
|
7 |
1 |
20/80 |
80/20 |
200 |
486 |
12,0 |
|
8 |
1 |
30/70 |
70/30 |
207 |
491 |
8,5 |
|
9 |
1 |
30/70 |
90/10 |
192 |
491 |
12,0 |
|
10 |
2 |
8/92 |
95/5 |
182 |
491 |
8,5 |
|
11 |
1 |
15/85 |
90/10 |
191 |
500 |
7,5 |
|
12 |
2 |
10/90 |
80/20 |
177 |
476 |
9,5 |
|
13 |
1 |
15/85 |
90/10 |
198 |
481 |
9,0 |
|
14 |
1 |
25/75 |
80/20 |
178 |
491 |
12,0 |
|
15 |
1 |
15/85 |
75/25 |
180 |
471 |
9,5 |
|
16 |
1 |
35/65 |
95/5 |
202 |
456 |
12,0 |
|
17 |
1 |
60/40 |
95/5 |
193 |
471 |
13,5 |
|
Диапазон |
(8-35)/ (65-92) |
(70-95)/ (5-30) |
177-207 |
451-500 |
6,0-13,5 |
|
Проведём сопоставительный анализ фактических характеристик чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом с их нормативными диапазонами для КЧ45-6 в ГОСТе 1215-79. Марка КЧ45-6 имеет перлито-ферритную металлическую основу, т.е. с преобладанием перлитной составляющей над ферритной, а чугун с шаровидным и вермикулярным графитом наоборот – феррито-перлитную. Особенность диапазона твёрдости чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом (177-207 НВ) в том, что он приходится преимущественно на верхней границе для марки КЧ45-6 (150-207 НВ). Учитывая, что идентичные прочность и пластичность чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом обеспечивается феррито-перлитной металлической основой с высокой твёрдостью, а ковкого чугуна – перлито-ферритной металлической основой с более низкой твёрдостью, следовательно соотношение шаровидного/вермикулярного графита (70…95/5…30%) оказывает большее надрезывающее, разупрочняющее влияние, чем хлопьевидный графит.
Таким образом, рассматриваемый тип чугуна – ВЧШВГ имеет рациональное применение для определённой ниши деталей машиностроения и в будущем должен быть внесён либо в переработанный ГОСТ 28394-89 на ЧВГ, либо на него должен быть разработан собственный автономный стандарт.
Литература:
- Кузьмин Б.А. и др. Металлургия. Металловедение и конструкционные материалы. М: «Высшая школа», 1977, с.190.
- Детали машиностроения из чугуна с вермикулярным графитом: свойства, технология, контроль: тезисы докладов МНТК (Набережные Челны, 17-18 октября 2017 г.) / под ред. А.Г. Панова. – Казань: Изд-во Казан. ун-та, 2017. – 97 с.
Авторы:
Болдырев Денис Алексеевич - д-р техн. наук, профессор Тольяттинского государственного университета. Тел. +79297147877, e-mail: Denis.Boldyrev@vaz.ru
Попова Лариса Ивановна - канд. физ.-мат. наук, доцент Тольяттинского государственного университета. Тел. +79272691569, e-mail: onegko@mail.ru
Прасолов Сергей Геннадьевич - канд. физ.-мат. наук, доцент Тольяттинского государственного университета. Тел. +79171306984, e-mail: teopmex@tltsu.ru
Давыдов Сергей Васильевич - д-р техн. наук, профессор Брянского государственного технического университета. Тел. +79103367349, e-mail: davidov69@tu-bryansk.ru
Токарев Артём Андреевич – аспирант Южно-Уральского государственного университета (Челябинск), начальник отдела внедрения ООО «НПП Технология» (г. Челябинск). Тел. +79090156127, e-mail: 151@nppgroup.ru
Литье Украниы, 2022, №5-6