Металлургия чугуна. Высокопрочный чугун....

Высокопрочный чугун (БПЧ) или высокопрочный чугун с шаровидным графитом (ВЧШГ) обычно известен также как чугун с шаровидным графитом, а в Великобритании как чугун со сферическим графитом, хотя его общепринятым международным названием является - высокопрочный чугун (ductile iron). Этот материал содержит графит, имеющий сферическую форму, а не пластинчатую, как в серых чугунах. Причиной хрупкости и низкой прочности на разрыв серых чугунов является не само наличие графита, а его пластинчатая структура, в то время как многие полезные свойства, обусловленные наличием графита, не очень сильно зависят, отчего структуры и проявляются в ВПЧ. Так ВПЧ обладает хорошим диапазоном предела текучести, пластичностью, прочностью, и способностью к горячей обработке, а так же прекрасной жидкотекучестью, хорошими литейными свойствами, легко подвергается обработке резанием и износостоек. Он сочетает хорошую обрабатываемость серого чугуна с техническими преимуществами стали. В результате, с тех пор, как он появился в конце 1940 годов, ВПЧ нашел все расширяющуюся область применения, особенно в автомобильной, железнодорожно и сельскохозяйственной промышленности.

ВПЧ имеет химический состав подобный составу серых чугунов с более высоким содержанием углерода, но содержит меньше серы и фосфора. Пластинчатая форма графита в сером чугуне объясняется тем, что вредные примеси, особенно сера и кислород, пагубно влияют на рост графита в жидком чугуне. Обычно графит при росте приобретает сферическую форму, но это вредное влияние примесей подавляет рост кристаллов графита в определенных плоскостях и они вынуждены вырастать в виде пластин. Для получения ВПЧ не только поддерживается низкое содержание примесей, но так же непосредственно перед разливкой в жидкий чугун добавляются небольшие количества магния или церия. Эти элементы связывают серу и кислород в жидком чугуне и предотвращают их пагубное влияние на рост графита. В результате графит формируется, приобретая сферическую (шаровидную) структуру. Количество затравки (обычно никель-магниевого сплава), обуславлевующего шаровидную форму кристалл графита, которая добавляется в жидкий чугун, тщательно контролируется. Желательно, чтобы в жидкий чугун было введено небольшое количество остаточного магния сверх требуемого для того, чтобы связать всю серу. Количество магниевой затравки для кристаллизации графита определяется как Mg добавляемый = 0,75 Sin+Mg остаточный/ή, где Sjn - первоначальный уровень содержания серы, а ή - фракционное восстановление магния в используемом процессе затравки. Оптимальное количество остаточного магния, необходимое для формирования сферического графита, составляет 0,03-0,05%, при этом точное количество зависит от скорости охлаждения (при больших высоких скоростях охлаждения требуется меньшее количество). Если содержание остаточного магния слишком низкое, то графит приобретает недостаточно шаровидную форму, и в результате механические свойства ухудшаются. С другой стороны, слишком большое количество остаточного магния способствует образованию карбида, который также является вредным.

В общем случае ВПЧ имеет более тонкую микроструктуру и из-за более высокого содержания углерода, более высокую плотность, чем серы и чугуны. Состав ВПЧ не изменяется в широких пределах: содержание углерода колеблется от 3,6% до 3,9%, а кремния от 2% до 2,8%. Механические свойства в первую очередь определяется микроструктурой основного состава (матрица), которая в свою очередь,
Зависит от термической обработки. Многие отливки ВПЧ подвергаются тому или иному виду тепловой обработки: либо термообработки для снятия остаточных напряжений, отжигу для образования ферритной  структуры, нормализации и отпуску для образования перлитной или феррито-перлитной структуры, либо закалки в масле с последующим отпуском. Возможно также образование мартенсита и аустенита, как, например, при поверхностной закалке, включая индукционную, пламенную и лазерную закалку. Наиболее распространенная микроструктура матрицы состоит из ободков феррита, окружающих каждое шаровидное образование графита (феррит в виде "бычьего глаза"), равномерно распределенных в перлитной матрице.

Большинство тех. условий на стандартной марке ВПЧ основана на их свойствах. Технические условия американского общества по испытанию материалов (ASTM)  А 395, А 476 А 536 на стандартные марки ВПЧ и их эквиваленты американского общества инженеров-механиков (ASME) используют в обозначении марок такие свойства как минимальная прочность на разрыв в ksi (1 ksi=6.895 Mna). Минимальный предел текучести и пластичность в процентах удлинение, например, марка 60-40-18. Тех. условия американского общества автомобильных инженеров (SAE) J 434 и стандарты на материалы  AMS 5315C также используют в обозначении этих материалов систему, основанную на микроструктуре и твердости. В системе Международной организации по стандартизации (ISO) стандарт ISO 1083 использует обозначение, основанные на прочности разрыв в МПа и процентах удлинения, например, марка 600-3. Обозначение Координационного комитета по вопросам стандартизации ООН (UNS) имеют форму F3хххх.
Стандартные марки ВПЧ  взависимости от различных видов термообработки могут иметь предел прочности на разрыв от 60 до 120 ksi. Марки сферитной структуры, имеющие меньшую прочность, такие как 60-40-18 и 65-45-12 (необходимо отметить, что они гораздо прочнее чем высокопрочные серые чугуны) используются для изготовления клапанов высокого давления и корпусов насосов, а так же для машиностроительных отливов, которые должны обладать усталостной прочностью и выдерживать ударные нагрузки. Серые чугуны средней прочности с сферрито-перлитной структурой "отожженный" чугун марки 80-55-6 или нормализованной и отпущенный чугун марки 100-70-03 - используется для изготовления шестерен и других автомобильных и машиностроительных компонентов и имеют также общее применение; для более тяжелых условий эксплуатаций может быть применен закаленный и отпущенный чугун марки 120-90-02. Аустемитные ВПЧ, соответствующие техническим условиям ASTM A 897 и их метрические версии А 897М имеют матрицу, микроструктура которой состоит из смеси игольчатого (бенитного) феррита и стабилизированного аустенита. Это позволяет создать марки ВПЧ с более высокой прочностью в диапазоне от 125-80-10 до 209-155-1 и даже 230-185, которые используются в первую очередь для изготовления шестирен и изностойких деталей.
Основная трудность при производстве высокопрочного чугуна - достижение стабильности характеристик, соответствующих требованиям ГОСТ.

Интересное решение этой проблемы предложили сотрудники завода "Литмаш" (г. Меленки, Владимирская обл.), ими разработана уникальная технология производства высокопрочного чугуна, в т.ч. марок ВЧ-40 и ВЧ-50 и др., которая позволяет получать высокопрочный чугун требуемой марки со стабильными характеристиками и в полном соответствии с ГОСТ без стадии отжига!

Интересное решение этой проблемы предложили сотрудники завода "Литмаш" (г. Меленки), ими разработана уникальная технология производства высокопрочного чугуна, т.ч. марок ВЧ-40 и ВЧ-50 и др., которая позволяет получать высокопрочный чугун требуемой марки со стабильными характеристиками и в полном соответствии с ГОСТ без стадии обжига!

На базе этой технологии, на заводе разработана и производится марка чугуна ВЧ ?Меленки?, не имеющая аналогов по физико-механическим свойствам.
Чугун марки ВЧ "Меленки" по своим прочностным характеристикам значительно превосходят чугуны ВЧ-40 и ВЧ-50, и сравним с маркой чугуна ВЧ-70. Предел прочности ВЧ "Литмаш-М" состовляет 60 Н/мм2, ау ВЧ-70 этот показатель составляет 700 Н/мм2.

ВПЧ "Меленки" имеет твердость, равную твердости чугуна ВЧ-50 (170-220 НВ), а по пластичности практически стали 35. Но у стали 35 относительно удлинения состовляет 23-35%, а у ВЧ "Меленки" - 23%.

Использование высокопрочного чугуна для изготовления деталей, которые традиционно выпускаются из стали, дает, как минимум, двойной экономический эффект: удишивление изделия за счет более низкой стоимости материала и увеличения долговечности и надежности деталей.

Доказательством уникальных эксплуатационных  характеристик деталей, выполненных из чугуна ВЧ "Меленки", стала деталь механизма - так называемый натежитель. Звездочка натяжителя, изготовленная из этого чугуна и отработавшая положенный ресурс не имеет никаких внешних признаков износа может работать еще достаточно долгое время.

Завод изготавливает и другие изделия из ВЧ, например, клапаны запорные фланцовые КЗФ и клапаны для оснащения пожарных шкафоф КПК-50-1 и КПК-50-2, комплектующие элэменты насосов СВ, шестирни для оснащения станков деревообрабатывающей промышленности, а так же другие детали требующие повышенных износоустойчивых свойств.