Условия применения марок чугуна в зависимости от толщины стенки отливки

Чугун	Толщина стенки отливки, мм, для условий применения
	I	II	III	IV	V
СЧ 15	<2	2-6	6-10	10-20	>20
СЧ 20	<4	4-9	9-15	15-30	>30
СЧ 25	<6	6-12	12-25	25-50	>50
СЧ 30	<10	10-15	15-40	>40	-
СЧ 35	<15	15-40	40-80	>80	-
СЧ 40	<20	20-40	40-120	>120	-

Условия применения марок чугуна: I – применение невозможно; II – требуются специальные меры для предупреждения или ликвидации отбела (например, модифицирование чугуна или термическая обработка отливок) и повышенные затраты на механическую обработку отливок; Ш – для отливок высокой износостойкости и прочности при повышенной твердости; IV – для отливок средней твердости и хорошей обрабатываемости резанием; V – только для специальных целей (с использованием модифицирования и легирования).

Примеры применения серых чугунов для типовых деталей машин и оборудования приведены в табл.4.

Таблица 4

Применение серых чугунов для типовых деталей машин и оборудования

Область применения	Виды деталей или отливок	Марки чугуна	Особенности химического состава, %	Твердость НВ
1	2	3	4	5
Автотракторостроение	Блоки цилиндров карбюраторных и дизельных двигателей	СЧ 20 СЧ 25	до 0,6Cr, до 0,5Ni, до 0,6Cu, до 0,08Ti	183-217
	Головки цилиндров дизельных двигателей	СЧ 20, СЧ 25	до 0,3Cr, до 0,5Cu, до 0,25Ti	до 235

Продолжение таблицы 4

1	2	3	4	5
Автотракторостроение	Блоки цилиндров тяжелонагруженных автомобильных и судовых двигателей	СЧ 25- СЧ 35	0,2-0,5Cr, до 0,85Ni, 0,35-0,85Mo	207-248
	Головки тяжелонагруженных двигателей	СЧ 25	3,5-3,7C, 02-0,4Cr, 0,5-0,7Mo	180-229
	Гильзы цилиндров карбюраторных и дизельных двигателей	СЧ 20, СЧ 25	0,15-0,45Cr, 0,15-0,30Ni	200-250*)
	Гильзы цилиндров автомобильных и тракторных двигателей	СЧ 20, СЧ 25	до 0,9P, до 0,8Cu, дo 0,6Мo	180-240
	Распределительные валы дизельных и карбюраторных двигателей	СЧ 25, СЧ 30	до 1,5Cr, до 1,3Ni, до 0,8Mo, до 0,1B	217-321**)
	Тормозные барабаны и диски средней нагруженности	СЧ 20, СЧ 25	до 0,6Сг, до 0,9Ni,. до 0,6Cu, до 0,8Mo,	до 255
	Маховики	СЧ 25- СЧ 35	до 0,6Cr, до 0,5Ni, до 0,6Cu, до 0,08Ti	210-300
	Крышки коренных подшипников	СЧ 25	-	≥200
	Выпускные коллекторы	СЧ 15, СЧ 20	до 0,5Mo, до 0,4Cu, до 0,05Ti	163-255
Станкостроение	Легкие отливки (толщина стенки а до 10 мм, масса М до 100кг)	СЧ 25, СЧ 30	_	≥180
	Средние отливки (а =10-20 мм, М=100-4000 кг)	.СЧ 25, СЧ 30	_	≥180
	Тяжелые отливки (а =20-30 мм, М= 4000- 10000 кг)	СЧ 25- СЧ 35	_	≥170
	Особо тяжелые отливки (а>30 мм, М=10000-30000 кг)	СЧ 25- СЧ 35	_	≥170

Окончание таблицы 4

1	2	3	4	5
Станкостроение	Уникальные отливки (М>30000 кг)	СЧ 25- СЧ 35	легирование Сг, Ni, Cu, Sn, Mo	≥170
Тяжелое машино-строение	Крупные отливки	СЧ 15- СЧ 25	2,8-3,2C, 0,2-0,5Cr	_
Электротехническая промышленность.	Станины электродвигателей	СЧ 15	до 0,3P, до 0,15Cr	_
Сантехни-ческая промыш-ленность.	Отопительные ради-аторы, секции котлов, гарнитура, ванны, трубы, раковины	СЧ 10	3,5-3,7C, 0,3-0,6P	_

Примечания: ^*) твердость на рабочей поверхности не менее HRC 42, ^**) на кулачках не менее HRC 45.

При получении отливок из серого чугуна для предупреждения отбела или плохой обрабатываемости резанием в тонких сечениях чугун в жидком состоянии перед разливкой модифицируют специальными добавками. Модифицирование обеспечивает также получение в структуре чугуна тонкостенных отливок преимущественно пластинчатого равномерно распределенного графита, что приводит к выравниванию структуры и свойств чугуна в различных сечениях отливок и повышает общую прочность чугуна.

Чаще всего в качестве универсальных кодификаторов приме­няют ферросилиций марки ФС 75, содержащий около 75% Si, около 1,5% Al и до 0,8% Са, а также ферросилиций в смеси с графитом, силикокальцием и лигатурами РЗМ (редкоземельных металлов). Количество вводимого модификатора составляет обычно от 0,2 до 0,6% от массы жидкого чугуна в зависимости от марки чугуна (чем выше марка чугуна, тем больше добавка модификатора).

При производстве отливок из серого чугуна с пластинчатым графитом иногда используют термическую обработку отливок. Ее применяют для снятия внутренних напряжений, обеспечения минимальных деформаций при эксплуатации, для улучшения обрабатываемости резанием, повышения механических свойств и износостойкости.

Закалку с отпуском проводят для получения мартенситной структуры и обеспечения высокой твердости и износостойкости чугуна. Нагрев под закалку проводят обычно до температур на 50-70⁰ выше критической точки a_ci. Во избежание деформации деталей применяют после закалки стабилизирующий отпуск при 180-200°С.

Улучшение (закалку с высокотемпературным отпуском) при­меняют для получения структуры зернистого сорбита и обеспечения достаточно высоких значений прочности и твердости.

Нормализация проводится для отливок с исходной ферритной иди ферритно-перлитной структурой с целью получения перлитной структуры и повышения механических свойств и износостойкости чугуна. Нагрев проводят так же, как и при закалке, с выдержкой около 1 часа на 25 мм толщины стенки отливки. Сложные отливки рекомендуется охлаждать на воздухе до 500°С, а далее в печи со скоростью 40 градусов в час для снятия напряжений.

Высокотемпературный (880-950°С, выдержка до 5 часов) отжиг применяют для снижения твердости отбеленного чугуна.

Отжиг для снятая напряжений проводят чаще всего при температурах 500-600°С в зависимости от марки чугуна. Длительность выдержки составляет обычно 1,0-1,5 часа для отливок с толщиной стенки до 20 мм и увеличивается на 1,0-1,5 часа на каждые последующие 25 мм толщины сечения. Скорость охлаждения после отжига не должна превышать 10-30 градусов в час для отливок сложной конфигурации и 150 градусов в час для простых отливок.

Иногда проводят низкотемпературный (700-750°С) отжиг отливок для улучшения обрабатываемости резанием. Такой отжиг обеспечивает распад эвтектоидного цементита и получение мягкой ферритно-графитной структуры с твердостью НВ 130-180.

Важной характеристикой чугуна является показатель качества ПК, представляющий собой отношение значений предела проч­ности _ и твердости НВ чугуна (ПК = _ / HB), причем _ чаще всего выражают в МПа, а твердость НВ в обычных единицах твердости, условно принимаемых безразмерными.

Показатель качества, прежде всего, зависит от структуры чугуна. Поэтому его опенку удобно проводить по структурным зонам, характерным для структурных структурно-прочностных диаграмм (см. рис.1 и 2).

На рис.3 представлена область значений ПК для чугунов различного химического состава (т.е. с разными значениями углеродного эквивалента С_Э). Зависимость 1 (для нелегированных чугунов) получена на основе данных рис.1 для стандартных проб диаметром 30 мм (или при толщине стенки отливки 15 мм в случае применения формовки “по-сырому”). Видно, что в области химических составов, соответствующих перлитным чугунам, с пони­жением углеродного эквивалента от 4,3 до 3,3 показатель качества существенно возрастает (до ПК ≈ 1,5), но при дальнейшем снижения углеродного эквивалента (до областейIIи I) начинает резко уменьшаться, что связано с появлением отбела в структуре чугуна. Поэтому для серого нелегированного чугуна следует выбирать оптимальные составы в интервале значений С_Э=3,3-3,7%, причем следует учитывать, что эта рекомендация относится лишь к отливкам стандартного сечения. В случае отливок с другой толщиной стенки необходимо строить зависимости, подобные кривой 1 на рис.3, для соответствующего сечения.

Из рис.3 и данных табл.2 следует, что в отливках стандартного сечения можно использовать лишь чугуны до марки СЧ 30. Применение для таких отливок чугунов более высоких марок невозможно из-за частичного или полного отбела в их структуре. Нелегированный чугун марки СЧ 35 можно использовать в основном в отливках большего сечения.

При выборе состава чугуна необходимо исходить из условия наибольшей простоты технологического процесса. Так, например, термическую обработку отливок следует назначать только в случаях предъявления к ним особых требований или при необходимости исправления структуры и повышения свойств в уже изготовленных отливках.

Более широко используется метод модифицирования, позволяющий получать высокие марки чугуна (СЧ 25, СЧ 30) без использования легирующих элементов в составе или при ограниченном их использовании. Чугуны наиболее высоких марок (СЧ 35 и СЧ 40) получают обычно с помощью легирования (см. табл.2) и модифицирования, реже с применением термической обработки. В этом случае можно обеспечить и получение высоких значений показателя качества чугуна. Примером могут служить легированные чугуны, разработанные в БГИТА. Зависимости показателя качества таких чугунов от углеродного эквивалента приведены на рис.3 в литом состоянии (кривая 2) и после термической обработки (кривая 2^’), а различие в прочностных свойствах по сравнению с нелегированным чугуном – на рис.4.

3. Высокопрочные чугуны с шаровидным графитом (ВЧШГ)

Существенное повышение механических свойств чугуна достигается при переходе от пластинчатой формы графита к шаровидной или вермикулярной (промежуточной). Для чугуна с шаровидным графитом (ЧШГ) характерны не только высокая прочность (отсюда и название – высокопрочный чугун), но и значительные пластичность и вязкость, в связи с чем во многих зарубежных стандартах его называют пластичным чугуном.

ВЧШГ имеют широкий диапазон механических и эксплуатационных свойств. Ферритные чугуны характеризуются наивысшей среди чугунов пластичностью и вязкостью, обеспечивают литым деталям высокие хладо- и ударостойкость, хорошую свариваемость и обрабатываемость резанием. Перлитные ЧШГ хорошо сопротивляются статическим и циклическим нагрузкам, обладают высокими износо- и задиростойкостъю. В бейнитных ЧШГ сочетаются максимально высокая прочность с достаточной пластич­ностью, что обеспечивает высокие значения износостойкости, усталостной прочности и контактной выносливости литых изделий.

Все марки ЧШГ имеют высокий модуль упругости и значительно большую, чем у стали, демпфирующую способность. Предел текучести у бейнитных чугунов в 2,5-3 раза выше, чем у обычных конструкционных сталей.

По способности выдерживать высокие механические нагрузки при наименьших деформациях и массе деталей ЧШГ значительно превосходит сталь, ковкий и серый чугун. Масса литых деталей из ЧШГ может быть на 5-10% ниже по сравнению с литой сталью и ковким чугуном и на 10-20% меньше по сравнению со стальными поковками и штамповками.

ВЧШГ успешно заменяет углеродистую сталь и другие виды чугунов в деталях, работающих в условиях тепловых ударов, термоусталости (при температурах цикла до 600°С), низких температур (до -100°С), умеренно агрессивных сред, высоких давлений, знакопеременных динамических нагрузок.

ВЧШГ обладают хорошими литейными свойствами, что позволяет изготавливать из них высококачественные отливки с толщиной стенок от 2,5 до 1000 мм и массой от нескольких десятков граммов (например, поршневые кольца) до 200 т (станины, цилиндры, контейнеры и др.).

Высокая герметичность в сочетания с ударо- и коррозионностойкостью позволяют эффективно использовать ВЧШГ в виде наиболее экономичного материала для напорных труб и фитингов. Почти половина мирового производства ЧШГ используется на эти цели.

Свойства ВЧШГ регламентированы ГОСТ 7293-85, в котором предусмотрены 8 марок чугуна (табл.5).

Таблица 5

Марки и свойства ВЧШГ (но ГОСТ 7293-85)

Марка чугуна	В	0,2	, %, не менее	Твердость НВ	Ударная вязкость КС при +200С, Дж/см 2
	МПа, не менее
ВЧ 35	343	216	22	140-170	80-150
ВЧ 40	392	245	15	140-202	30-80
ВЧ 45	441	304	10	140-225	30-60
ВЧ 50	491	314	7	153-245	30-50
ВЧ 60	589	363	3	192-277	10-30
ВЧ 70	687	412	2	228-302	10-25
ВЧ 80	785	471	2	248-351	10-30
ВЧ 100	981	687	2	270-360	10-20

Относительное удлинение, твердость НВ, а также ударную вязкость КС определяют при наличии требований в нормативно-технической документации на отливки, причем значения этих свойств могут отличаться от приведенных в табл.5.

Механические свойства ВЧШГ должны быть обеспечены в литом состоянии или после термической обработки. Механические испытания проводят на образцах, вырезанных из отдельно отлитых или прилитых к отливкам проб.

Механические свойства ЧШГ зависят от толщины стенки отливки, хотя и в меньшей степени, чем у серого чугуна. Прочность и твердость чугуна в пробах обычно выше, чем в реальных отливках. В табл.6 приведено соотношение значений механических свойств (_В и НВ) в отливках и в литых трефовидных пробах, причем за единицу приняты свойства в литой пробе.

Влияние скорости охлаждения и толщины стенки отливки связано с тем, что в толстых сечениях повышается количество феррита, увеличивается опасность флотации графита и ухудшения его формы и распределения, усиливается микроликвация элементов.

Таблица 6