Особенности высокопрочного чугуна

В составе самого разного оборудования, узлов и механизмов можно обнаружить металлы с различными характеристиками. В том числе высокопрочный чугун, из которого как нельзя лучше получаются прочные корпуса и силовые элементы. Что представляет собой этот металл, а также перечень его свойств, видов, назначение – вот о чем ниже представленный материал.

Начать стоит с того, что это твердое углеродистое вещество, в котором есть графит: шаровидный или в виде сферы. Именная такая форма и обуславливает прочную межатомную связь, и это дает возможность этому чугуну выдерживать огромнейшие нагрузки. Вот почему в машиностроительной отрасли высокопрочный чугун почти незаменим. Основная особенность этого материала – он неоднороден по всему объему. Так, структура отдельных элементов чугуна, которые берутся из разных фрагментов изделия, будет отличаться. Да, единство все равно прослеживается, шаровидность тоже, но все же отличия в строении можно увидеть. Термическая обработка сегодня делает этот материал еще более востребованным, усиливает его свойства. Теперь он заменяет часть литейных изделий, которые ранее, например, делали из серого или ковкого чугуна. Такую модернизацию можно проследить, например, по кулачковым и коленчатым валам.

А способ получения этого материала заключается в обработке серого чугуна магнием либо церием. И с магнием, наверное, союз случается чаще, его почти везде и используют, чтобы получить «пластичное железо» (так часто называют высокопрочный чугун). Церий используют куда реже, потому что он является карбидообразующим. А если углубиться в историю, то впервые сфероидальный графит в сером чугуне стали производить в середине прошлого века. Но к нынешнему положению дел пришли не сразу – американские исследователи нашли способ получения сфероидального гранита литого вида, обнаружив уместность введения добавки в железо. Это была гиперэвтектическая или магнийсодержащая составляющая.

И коммерческий успех ожидал последний вариант добавки, и до сих пор магнийсодержащий вариант используется повсеместно. Но, что интересно, как именно образуются графитовые узелки – до сих пор спорный вопрос. Исследователи так и не смогли найти в нем «примирения», хоть на производство это не особо влияет. Итак, высокопрочный чугун сегодня производится в основном путем окомкования серого чугуна.

«Пластичное железо» интересно, прежде всего, своими свойствами. И главное из них – высокая степень прочности. Случается, что она превосходит в этом показателе даже сталь. Какими еще характеристиками обладает этот чугун:

• достаточной пластичностью (что обозначается даже во втором его названии);
• превосходным литьем;
• отличной обрабатываемостью;
• низкой плотностью (в сравнении со сталью);
• неплохими поверхностными свойствами смазки;
• усовершенствованными демпфирующими характеристиками.

В высокопрочном чугуне присутствует углерод, содержание которого не выше 4%, но если его будет меньше, чем в диапазоне между тремя и четырьмя процентами, – это считается лучшим вариантом. Сфероидов больше, если углерода больше. Если увеличить включение последнего, литейная способность тоже улучшится, тому помогут текучесть и подача. Также в материале присутствует кремний, являющийся очень мощным активатором. Он, кстати, не только активирует графит, совершенствует его распределение, но и повышает общую механическую прочность материала. Пластичность в литом виде кремний также увеличивает. Так как он считается и стабилизатором феррита, повышается и твердость. Сказывается его присутствие и на распределении графитовых сфероидов. Чем кремния больше, тем больше узелков и феррита.

Но при этом высокий процент кремния приведет к образованию массивного графита, а значит, отливки могут получаться хуже. Также не стоит «разбегаться» с увеличением кремния в составе, потому что у материала может уменьшиться энергия удара, снизиться теплопроводность и повыситься температура ударного периода. Марганца в «пластичном железе» тоже не должно быть много, не более 0,5%. Важно контролировать и наличие серы в составе, и это должно быть не более 0,01%. Помимо описания главных химических элементов, следует отметить и высокие литейные свойства материала, а ликвация у таких чугунов почти отсутствует. Также отливки из высокопрочного чугуна отлично обрабатываются резанием – их можно точить, фрезеровать, шлифовать. Детали, изготовленные из данного материала, еще и хорошо прирабатываются в узлах давления и трения.

Различие строится на металлической основе. Так, бывает чугун на ферритной основе, перлитной и ферритно-перлитной. Любой вид получается из серого чугуна с помощью добавок. К последним относятся магний и церий. Именно модифицированный серый чугун и становится высокопрочным. Ферритный чугун включает феррит и шаровидный графит. Перлитный – сорбитообразный либо пластинчатый перлит. Смешанный вид подразумевает объединение характеристик двух предыдущих.

Кстати, каждый вид высокопрочного чугуна имеет свою маркировку. Например, ВЧ 40-5: ВЧ – это аббревиатура названия материала, 40 – показатель прочности на растяжение, а 5 – относительное удлинение в процентном выражении. Согласно госстандарту существуют требования к механическим свойствам отливок в зависимости от марок, и они опираются на такие характеристики, как предел прочности на растяжение, относительное удлинение и предел текучести.

Высокие конкурентные свойства материала сказались на расширении сфер использования этого вида чугуна. Например, активно задействуют его в турбостроении: делают корпуса паровых турбин, а также лопатки направляющих. В тракторостроительной сфере из чугуна изготавливают поршни и коленчатые валы (и в дизелестроении тоже). В машиностроении важность этого материала практически бесспорна. Из высокопрочного чугуна также делают прокатное оборудование, изготавливают из него кузнечно-прессовые станки, подъемно-транспортные конструкции. Создают и камнедробильные агрегаты. Невозможно представить себе, что материал не применяется в области изготовления электроизоляционных столбов, станочных кроватей. Из этого чугуна также делают тормозные анкерные пластины, формовочные хомуты, рули и тормозные колодки, реечные механизмы руля и многое другое.

Такая широкая сфера использования обусловлена уникальным сочетанием механических и литейных свойств материала. У данного чугуна обнаружились отличная коррозионная прочность, износостойкость в целом и термическая устойчивость. Его стали брать взамен того же серого чугуна, потому что срок службы отливок отмечался как более долгий. Используют его и вместо стали, потому что это банально проще и дешевле, и взамен цветных металлов, потому что не придется расходовать дефицитное сырье. То есть итоговая стоимость продукции, которая получается с использованием высокопрочного чугуна, будет ниже и доступнее, а качество не упадет точно (а то и станет выше).

Не все промышленные предприятия работают с этим материалом, потому что не всякое оборудование способно его эффективно обрабатывать (вне зависимости от того, как маркируется чугун). Но доказано, что очень ценен такой чугун, перспективен для отливок, что работают в контексте термического циклирования при температурном перепаде и что подвержены высоким термонагрузкам. В том же дизелестроении таким свойствам отдается весомая роль. Почти всегда использование «пластичного железа» обусловлено и экономической целесообразностью, что тоже понятно. Особенно заметно это в сфере машиностроения.