Чугун с шаровидным графитом

Чугун с шаровидным графитом (ЧШГ) является перспективным конструкционным материалом для изготовления ответственных деталей.

ЧШГ обладает комплексом физико-механических, технологических и эксплуатационных свойств, что выгодно отличает его от других конструкционных материалов: от стали – лучшей износостойкостью и антифрикционностью, более высокой коррозионной стойкостью и лучшей обрабатываемостью резанием; от чугуна с пластинчатым графитом (ЧПГ) – большей прочностью и пластичностью.

Благодаря высокой жидкотекучести, ЧШГ может быть использован для производства сложных по конфигурации деталей, получение которых ковкой и штамповкой затруднено, а иногда просто невозможно. Меньшая плотность ЧПГ (на 8 – 10 %) позволяет снизить массу деталей по сравнению с массой деталей из стали. Замена ЧПГ на ЧШГ позволяет уменьшить в 1,5 – 2,0 раза толщины отливок и, тем самым, снизить массу деталей машин при одновременном повышении их надежности. Детали из ЧШГ можно подвергать всем видам упрочняющей термической обработки, применяющейся для стали с таким же, а иногда и большим успехом.

Особенностью ЧШГ как конструкционного материала является высокое отношение условного предела текучести s_0,2 к временному сопротивлению при растяжении s_В составляющее 0,6 – 0,7 (у стали 0,5 – 0,6), что важно для уменьшения расхода материалов и снижения массы машин, так как конструкции рассчитывают на прочность, как правило, по условному пределу текучести.

Циклическая вязкость или демпфирующая способность материала гасить возникающие при работе механизмов вибрации у ЧШГ хотя и ниже, чем у ЧПГ, но значительно выше, чем у стали. Эта характеристика у перлито-ферритного ЧШГ при напряжениях 50 – 100 МПа составляет 4 – 6 %, в то время как у стали – 0,3 – 0,6 %.

По известному показателю временного сопротивления разрыву при растяжении, приведенным эмпирическим зависимостям и данным табл. П18 можно определить пределы выносливости при растяжении и кручении различных чугунов.

ЧШГ s_-1 = (0,58 – 0,0002s_В) s_В,

КЧ s_-1 = (0,48 – 0,0002s_В) s_В,

ЧПГ s_-1 = (0,52 – 0,0003s_В) s_В.

Данные зависимости были получены на образцах диаметром 7,5 мм, изготовленных из заготовок диаметром или толщиной до 30 мм.

Таблица П18

Соотношение механических свойств чугунов с различной формой графита

Тип чугуна	s p-1/s -1	s p-1/s В	s -1/s -1	s -1/s В
ЧПГ	0.60-0.70	0.28-0.34	0.75-0.85	0.34-0.42
КЧ	0.55-0.65	0.22-0.28	0.80-0.90	0.32-0.38
ЧШГ	0.65-0.75	0.28-0.34	0.70-0.80	0.30-0.36

ЧШГ обладает высокой прочностью при сжатии s_сж/s_В > 3, это обстоятельство связано с тем, что графит не влияет на сопротивление сжатию столь отрицательно, как на растяжение.

Регламентация требований стандартов на ЧШГ практически везде одинакова. Кроме того, существует международный стандарт ИСО 1083, регламентирующий классификацию литейных чугунов с шаровидным графитом в соответствии с механическими свойствами материала.

Марки, механические свойства и химический состав ЧШГ по ГОСТ 7293–85, ИСО 1083 и национальным стандартам некоторых стран приведены в табл. П19.

По ГОСТ 7293–85 марка ЧШГ определяется показателями временного сопротивления разрыву s_В и условного предела текучести s_0,2. Условное обозначение марки включает буквы ВЧ – высокопрочный чугун и числовое минимальное значение s_В в МПА^.10^-1:

ВЧ 50 ГОСТ 7293–85.

Механические свойства ЧШГ обеспечиваются в литом состоянии или после термической обработки. Показатели относительного удлинения, твердости и ударной вязкости определяют только при наличии требований в нормативно-технической документации, и они должны соответствовать требованиям ГОСТа.

Таблица П19

Отечественные марки чугунов с шаровидным графитом и их зарубежные аналоги

Россия, ГОСТ 7293–85	ВЧ 35	ВЧ 40	ВЧ 45	ВЧ 50	ВЧ 60	ВЧ 70	ВЧ 80	ВЧ 100
ИСО 1083	350–22, 350–22AL	400–18, 400–18L, 400–18AL, 400–15, 400–15A	450–10	500–7, 500–7A	600–3, 600–3A	700–2, 700–2A	800–2	900–2
Великобритания BS 2789	350/22L40, 350/22	400/18, 400/18L20, 420/12	450/10	500/7	600/3	700/2	800/2	900/2
Германия DIN 1693	GGG–35.3	GGG–40, GGG–40.3	–	GGG–50	GGG–60	GGG–70	GGG–80	–
США ASTM A 536	–	60–40–18*, 60–42–10	65–45–12	70–50–05	80–55–06, 80–60–03	100–70–03	120–90–02	–
Франция NFA 32–201	FGS 350–22L40, FGS 350–22	FGS 400–15, FGS 400–18, FGS 400–18L20	FGS 450–10	FGS 500–7	FGS 600–3	FGS 700–2	FGS 800–2	FGS 900–2
Япония JISG–5503	FCD 370	FCD 400	FCD 450	FCD 500	FCD 600	FCD 700	FCD 800	FCD 900A**, FCD 1000A**, FCD 1200A**
* Марка стандартов А 536 и А 395 **Стандарт JISG–5503

В стандарте США ASTM А536 первое и второе числа в марке чугуна определяют временное сопротивление разрыву; первое – в (фунтах/кв.дюйм) 10³, а второе – округленная величина этого показателя в МПА^. 10^-1; третье число – минимальное значение относительного удлинения в процентах: 60-42-10.

В стандарте Германии DIN 1693 марка чугуна, например GGG-60 обозначает следующее: G – литой, G – чугун, G – шаровидный, 60 – минимальное значение временного сопротивления разрыву в МПа^. 10^-1.

В стандарте Великобритании BS 2789 буквенные обозначения не применяют.

В стандарте Франции NFA 32–201 буквы FGS обозначают: F – литье, G – графит и S – шаровидный.

В стандартах Франции и Великобритании указывается относительное удлинение в %. Если испытания на растяжение выполняются не на отдельных, а на приливных образцах, отливаемых совместно с отливкой, указанное обозначение дополняется буквой «А». Если к отливкам предъявляются требования по ударной вязкости при низкой температуре, указанные обозначения дополняются буквой «L», сопровождаемой числом, соответствующим температуре испытания, Символы «L» и «А» могут сочетаться, например: FGS 350 – 22AL40.

Стандарт Японии JIS включает семь марок ЧШГ: FCD370 и FCD400 – ферритные, FCD450 и FCD500 – ферритно-перлитные, FCD600, FCD700 и FCD800 – перлитные чугуны.

В международном стандарте ИСО 1083 буквенные обозначения не применяют. Стандарт содержит механические свойства, измеренные на образцах для испытаний, полученных из отдельно отлитых проб и отлитых вместе с отливкой.

В марке чугуна может присутствовать буква «А», свидетельствующая о том, что свойства были получены при испытании отлитых заодно с заготовкой образцов, буква «L», если к отливке предъявляются требования по ударной вязкости. Символы «L» и «А» могут сочетаться, например, 400–18AL.

В большинстве национальных стандартов на высокопрочные чугуны, регламентирующих механические свойства, химический состав чугунов не оговаривается, В стандартах всех стран, кроме России, Германии и США, приводятся контрольные пределы величин твердости.

Остальные параметры чугунов, в том числе микроструктура, могут контролироваться по требованию заказчика. Количество графита преимущественно шаровидной формы, оговариваемое в большинстве национальных стандартов, колеблется в широких пределах от 70 % (Япония) до 90 % (США ASTM A395). В стандарте ASTM А395 приведена единственная марка ферритного ЧШГ с контролем химического состава по основным элементам и твердости.

Оценка формы графита в большинстве национальных стандартов, в том числе и ИСО 945, производится по эталонам, которые не дают количественных значений. Только в стандарте Японии JIS G 5502 приведена методика расчета степени сфероидизации (в %) графита по формуле:

(П1)

где n – количество графитовых включений, соответствующих различным формам графита (от пластинчатой до шаровидной, всего 5 форм, рис. П1), определяемых на шлифе или фотографии и сравниваемых по фигурам, приведенным в стандарте.

Рис. П1 Характеристика форм (n_1... n₅) графита

Использование критериев механики разрушения для оценки конструкционной прочности чугунов позволяет:

обоснованно выбирать тип и марку чугуна применительно к условиям эксплуатации литой детали, в том числе при решении вопросов об использовании ЧШГ вместо стали и ЧПГ;

количественно оценивать влияние размеров и формы детали имеющихся дефектов на долговечность изделий, разрабатывать нормы дефектности чугунных отливок;

анализировать причины разрушения изделий в процессе эксплуатации и принимать меры по их устранению.

Одним из основных критериев механики разрушения является критический коэффициент интенсивности напряжений (трещиностойкость) К_1С (МПа м^1/2), который используют при расчетной оценке надежности деталей.

Минимально допустимые значения коэффициента приведены в табл. П20.

Таблица П20

Коэффициент К_1с для стандартных марок ЧШГ

Марка чугуна	ВЧ 35	ВЧ40	ВЧ 45	ВЧ 50
К1с, МПа.м1/2
Марка чугуна	ВЧ 60	ВЧ 70	ВЧ80	ВЧ100
К1с, МПа.м1/2

Ценность показателя К_1с как характеристики материала состоит в том, что его можно непосредственно использовать для расчета конструкций. Если известен коэффициент К_1с, то можно вычислить допустимый размер трещины при заданном рабочем напряжении или, наоборот, допустимое рабочее напряжение при заданном размере трещин по формуле

где g – коэффициент, учитывающий геометрию литой детали;

s – рабочее напряжение, МПа,

l_кр – критическая длина дефекта, м.

В современных расчетах высоконагруженных конструкций используют «принцип безопасного повреждения», допускающий эксплуатацию конструкций при наличии трещин длиной меньше l_кр. Этот принцип очень важен, так как при изготовлении изделий трудно полностью избежать поверхностных и внутренних дефектов (царапин, усадочных микропустот и др.) Кроме того, трещины могут возникать и при эксплуатации изделий. Известны немало случаев когда ответственные нагруженные конструкции работали при наличии в них трещин длиной в десятки сантиметров.

Если на шлифах (рис. П1) серых чугунов графит имеет форму извилистых прожилок, то в ковких чугунах графит, называемый углеродом отжига, находится в форме более компактных хлопьевидных включений с рваными краями, Более компактная форма графита обеспечивает повышение механических свойств ковкого чугуна по сравнению с серым чугуном с пластинчатым графитом. Обладая механическими свойствами, близкими к литой стали и высокопрочному чугуну, высоким сопротивлением ударным нагрузкам, износостойкостью, обрабатываемостью резанием и свариваемостью, ковкий чугун находит свое применение во многих отраслях промышленности. Из него изготавливают поршни, шестерни, шатуны, скобы, иллюминаторные кольца и др.