Чугун с вермикулярным графитом

Вермикулярный графит (лат. vermiculus – червячок) – микроструктурная составляющая чугуна, носящего название чугуна с вермикулярным графитом (ЧВГ).

Червеобразная форма вермикулярного графита определяется обработкой жидкого  чугуна активными модификаторами Mg, Ca, Ce и других, и условиями кристаллизации. Округленная форма вермикулярного графита меньше разупрочняет металлическую матрицу по сравнению с пластинчатым графитом.

Чугун с вермикулярным  графитом обладает целым рядом специфических  свойств по сравнению с серым. Вермикулярный графит имеет форму  взаимосвязанных графитовых лепестков  подобно пластинчатому графиту. Однако эти лепестки отличаются меньшей  степенью неравноосности, меньшими размерами  и округлой формой кромок. В целом, имеющиеся данные свидетельствуют  о том, что по одним показателям  чугун с вермикулярным графитом близок к серому чугуну, а по другим - к чугуну с шаровидным графитом. Как показывают исследования, сочетание  определенной совокупности механических и физических свойств во многом зависит  от способа получения чугуна с  вермикулярным графитом (технологии выплавки, типа модификаторов, способа  их ввода в расплав и пр.) и  величины соотношения вермикулярного и шаровидного графита в структуре. Специфическое сочетание физико-механических, технологических и эксплуатационных свойств достигается в ЧВГ  только при условии, что содержание вермикулярного графита в структуре  составляет не менее 80-90% (остальное  – шаровидный графит). В то же время  оптимальную совокупность свойств  обеспечивает вермикулярный графит с 20-30% шаровидного. Методы количественного  определения составляющих микроструктуры ЧВГ в отливках регламентированы ГОСТ 3443-87. Отдельного стандарта на марки ЧВГ нет, но на него распространяется действие ГОСТ 7293-85.

Механические свойства ЧВГ  занимают промежуточные значения между  чугуном с пластинчатым и чугуном  с шаровидным графитом при одинаковой структуре матрицы. По сравнению  с чугуном с шаровидным графитом прочностные свойства чугуна с вермикулярным  графитом в меньшей степени зависят  от исходного химического состава  и соотношения феррит-перлит в  металлической основе. По сравнению  с серым чугуном, у чугуна с  вермикулярным графитом появляется меньшая чувствительность к изменению  углеродного эквивалента с точки зрения изменения механических свойств. Влияние матрицы ЧВГ на его механические свойства представлено в табл.1.1.

Таблица 1.1 - Влияние матрицы чугуна с вермикулярным графитом на его механические свойства

С увеличением толщины  стенки отливки прочность ЧВГ  снижается независимо от величины углеродного  эквивалента, причем перлитные чугуны более чувствительны к толщине  сечения, чем ферритные. Однако, в  диапазоне средних толщин стенок свойства ЧВГ слабо зависят от толщины стенок. По уровню физических свойств ЧВГ занимает промежуточное  положение между чугуном с  пластинчатым и чугуном с шаровидным графитом. ЧВГ имеет значительно  более высокие по сравнению с  ЧШГ показатели тепло- и температуропроводности в широком диапазоне температур.

В целом практика последних  десятилетий свидетельствует о  перспективности использования  в промышленности чугуна с вермикулярным  графитом как конструктивного материала. Так, в мировом автомобилестроении освоена большая номенклатура литых  деталей из ЧВГ небольшой массы (от 1 до 25 кг): маслопроводы для тракторов, опорные детали головки цилиндров  для тяжелых грузовиков, крепежные  детали рам грузовиков, тормозные  рычаги трактора, шкивы сервопривода грузовика, монтажные кронштейны балластных грузов трактора, бандажные кольца шестерен грузовиков, корпуса промежуточных  зубчатых передач, соединительные вилки, несущие и тормозные кронштейны, цепные звездочки, разнообразные крышки и корпуса коробок передач, блоккартеры  и картеры, чашки дифференциала, роторы, тормозные колодки, ступицы  ротора, коробки передач рулевого управления и т.п.

В зарубежной практике из ЧВГ  отливают также корпуса турбонагнетателей (100-1000 кг), выхлопные трубы локомотивных двигателей, маховые колеса, сложные  толстостенные гидроплотные детали гидронасосов высокого давления, трубы  газосборников, эксцентриковые зубчатые колеса и иные, герметичные и износостойкие  детали для тяжелого машиностроения и т.п.

В ФРГ чугун с вермикулярным  графитом в больших масштабах  используется для производства головок  цилиндров крупных морских дизельных  двигателей взамен серого чугуна (масса  этих головок 185-1000 кг), что позволило  увеличить выходную мощность двигателей примерно на 50%. В Японии из ЧВГ отливают головки цилиндров для мощных высокоскоростных дизель-генераторов  электростанций.

Обобщая возможные области  использования ЧВГ, можно предположить, что, основными объектами применения могут стать традиционные отливки  из чугуна с пластинчатым графитом, к качеству и эксплуатационным свойствам  которых предъявляют повышенные требования. Технологические аспекты  получения и использования отливок  из такого типа чугуна, видимо, еще требуют  существенных уточнений в каждом конкретном случае.

2. Получение чугуна, конструкционные свойства

Технический прогресс в чугунолитейном производстве направлен на снижение металлоёмкости и себестоимости  отливок, повышение их физико-механических свойств и эксплуатационных характеристик.

Особый интерес в этом смысле представляет перспективный  вид чугуна с вермикулярной (червеобразной) формой графита. Вермикулярный графит представляет собой округлые утолщённые короткие включения, большей частью не разветвлённые. Такая форма графита  определяет не только высокие механические свойства чугуна вследствие разобщённости  графита и меньшего надрезывающего влияния на металлическую основу сплава, но и особенности физических свойств – более высокие электро- и теплопроводность по сравнению с чугуном с шаровидным графитом.

Как известно, свойства чугуна определяются не только формой и размерами  графитовых включений, но и структурой металлической основы. По типу структуры  металлической основы различают  ферритные (наиболее пластичные, но наименее прочные), ферритно-перлитные и перлитные (наиболее прочные) чугуны с вермикулярным  графитом. Чугун с ферритной структурой металлической основы имеет в  основном червеобразную извилистую форму графита. Червеобразная утолщённая форма графита образуется чаще всего  в низколегированном чугуне с  перлитной металлической основой. Для получения в структуре  вермикулярного графита чугун подвергается модифицированию сфероидизирующими  присадками, как и высокопрочный  чугун с шаровидным графитом, но в меньшем количестве.

Опыт производства чугуна с вермикулярным графитом (ЧВГ) говорит  о том, что исходный чугун должен иметь высокий углеродный эквивалент (4,0-4,7), низкое содержание серы (0,025%) и  газов. Содержание марганца и фосфора  допускается такое же, как и  для высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Получение ЧВГ возможно и при более высоком содержании серы, но это экономически невыгодно  из-за увеличения расхода дорогостоящих  модификаторов. Оптимальная форма  включений графита получается при  остаточном содержании Mg в чугуне 0,015-0,028%. Для исключения пироэффекта и  дымовыделения используют различные  лигатуры с редкоземельными металлами. Остаточное содержание суммы РЗМ  в чугуне должно составлять 0,10-0,20%. Для  получения ЧВГ применяют также  лигатуры, содержащие одновременно сфероидизирующие (Mg, Се и др.) и десфероидизирующие (Ti, Аl) присадки, а также кальций.

ГОСТ 28394-89 устанавливает  четыре марки ЧВГ для изготовления отливок и регламентирует их механические свойства. Эти марки чугуна могут  иметь в структуре кроме графита  вермикулярной формы не более 40% шаровидного графита.

ЧВГ сочетает в себе положительные  свойства чугуна с пластинчатым графитом (высокие литейные свойства и теплопроводность) и высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (достаточно высокие прочность  и пластичность).

Для ЧВГ характерны также  высокие модуль упругости и предел выносливости. Механические свойства ЧВГ определяются в основном формой графита и количественным соотношением включений вермикулярного и шаровидного  графита. Химический состав ЧВГ существенно  влияет на формирование металлической  основы чугуна и, следовательно, на характеристики его прочности и пластичности в литом состоянии.

Наибольшее влияние на механические свойства ЧВГ оказывают  углерод, марганец, кремний и фосфор. При этом влияние кремния и  фосфора на пластичность чугуна более  существенно, чем на прочность и  твёрдость. Исследования влияния фосфора  на механические свойства ЧВГ показали, что при содержании его в чугуне более 0,05% снижается ударная вязкость, а при содержании более 0,1% резко  уменьшается пластичность.

Марганец способствует формированию перлитной матрицы и соответственно уменьшению доли феррита в металлической  основе, повышая прочность и уменьшая пластичность чугуна.

Нежелательно сочетание  низкого или, наоборот, высокого содержания углерода и кремния в чугуне. В  первом случае при сочетании низкого  содержания углерода с низким содержанием  кремния увеличивается склонность чугуна к отбеливанию. При втором варианте соотношения элементов  снижаются механические свойства чугуна из-за образования большого количества точечных включений графита.

Существенным резервом улучшения  свойств ЧВГ является термообработка и дополнительное легирование. Применяя ферритизирующий отжиг, можно получить чугун с высокими пластическими  свойствами. Нормализация, наоборот, повышает прочностные характеристики ЧВГ. Дело в том, что нормализация существенно  повышает количество перлита в структуре  металлической основы, однако полностью не устраняет феррит. Для увеличения количества перлита в металлической основе чугуна с целью повышения его прочности чугун легируют медью (0,8-1,0%). Легирование перлитного чугуна марки ЧВГ45 никелем (0,8-1,2%) и молибденом (0,2-0,4%) повышает его теплостойкость и износостойкость.

ЧВГ имеет малую чувствительность к скорости охлаждения, что обеспечивает однородность структуры и свойств  металла в разных сечениях отливок. ЧВГ обладает меньшей чувствительностью  к изменению толщины стенки отливок, чем чугун с пластинчатым графитом, и вследствие этого может быть использован в качестве конструкционного материала для крупногабаритных отливок сложной конфигурации. Из физических свойств ЧВГ следует  подчеркнуть его высокую теплопроводность. Она намного выше теплопроводности высокопрочного чугуна с шаровидным графитом и близка к теплопроводности серого чугуна с пластинчатым графитом.

ЧВГ имеет хорошие технологические  свойства. Он лучше обрабатывается резанием, чем чугун с шаровидной формой графита. ЧВГ имеет хорошую  жидкотекучесть, равную жидкотекучести серого чугуна с пластинчатым графитом. Его линейная усадка (1,1%) также равна  линейной усадке серого чугуна. Хорошие  литейные свойства ЧВГ позволяют  применять его взамен серого чугуна для отливки деталей без изменения  оснастки и технологии.

3. Применение отливок  из ЧВГ

Сочетание достаточно высоких  механических свойств и повышенной теплопроводности делает ЧВГ перспективным  материалом для отливок, работающих в условиях термоциклирования при  значительном перепаде температур, и испытывающих большие термические нагрузки, например, в дизелестроении, в производстве деталей металлургического оборудования и т.д. Экономически выгодно применять ЧВГ взамен серого чугуна в деталях общего машиностроения, работающих при повышенных циклических механических нагрузках. При этом не только существенно (на 30-40%) снижается металлоёмкость изделий, но и повышается их эксплуатационная надежность. Особенно хороший результат дает применение ЧВГ для изготовления крупногабаритных деталей тяжелых металлорежущих станков и кузнечно-прессового оборудования. Хорошие литейные свойства ЧВГ позволяют использовать его взамен высокопрочного чугуна с шаровидным графитом при получении сложных низкотехнологичных отливок, в которых трудно предотвратить образование усадочных дефектов.

Прочный перлитный чугун  марки ЧВГ45 целесообразно использовать для изготовления деталей, работающих при значительных механических нагрузках, в условиях интенсивного трения и  при повышенных термоциклических нагрузках.

Номенклатура отливок  из ЧВГ с каждым годом все более  расширяется, особенно в дизелестроении.

ВЫВОД

Технический прогресс в чугунолитейном производстве направлен на снижение металлоёмкости и себестоимости  отливок, повышение их физико-механических свойств и эксплуатационных характеристик.

Особый интерес в этом смысле представляет перспективный  вид чугуна с вермикулярной (червеобразной) формой графита.

Сочетание достаточно высоких  механических свойств и повышенной теплопроводности делает ЧВГ перспективным  материалом для отливок, работающих в условиях термоциклирования при  значительном перепаде температур, и испытывающих большие термические нагрузки, например, в дизелестроении, в производстве деталей металлургического оборудования и т.д.