2.2. Применение высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (вчшг)

В настоящее время ни один литейный конструкционный материал не может сравниться с ВЧШГ по разнообразию его технического применения и экономическим показателям, получаемым при дальнейшей эксплуатации деталей из этого чугуна.

Этот универсальный конструкционный материал обладает комплексом ценных физико-химических свойств, которые в сочетании с его высокими прочностными характеристиками и, особенно, повышенной пластичностью, делают его незаменимым для изготовления изделий особого назначения.

Одно из важнейших преимуществ ВЧШГ как современного конструкционного материала – более высокий, чем у нелегированных сталей, предел текучести, который, по существу, определяет прочностные возможности чугуна.

Другая важная особенность ВЧШГ – его высокое сопротивление усталостному разрушению, что позволяет использовать этот материал для изготовления таких сложнонагруженных деталей, как коленвалы двигателей, цилиндры мощных компрессоров.

Например, при изготовлении из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом коленчатых валов расход материала на заготовки снижается на 24 – 56 %, уменьшается масса готового вала на 13 – 24 %, значительно снижается трудоёмкость механической обработки и более чем в два раза сокращается расход металла в стружку. Кроме того, на 8 – 10 % снижается масса готовой детали за счёт разности в плотности стали и чугуна.

Широкое применение высокопрочного чугуна (ВЧ) находит в труболитейном производстве благодаря высоким литейным свойствам, он обладает также коррозионной стойкостью. Сопротивление атмосферной коррозии ВЧ в 2 – 10 раз выше нелегированной стали, а в морской воде коррозионная стойкость выше в 2 раза.

Трубы из ВЧ имеют коррозионную стойкость, определённую по потере массы примерно такую же, как у труб, изготовленных из обычного серого чугуна (СЧ). Однако межкристаллитная коррозия у серого чугуна происходит значительно интенсивнее, что обусловлено различием форм графита в этих материалах. Поэтому считают, что по этому показателю эксплуатационная надёжность трубопроводов из ВЧ приблизительно на 30 % выше.

Особенный интерес представляет ВЧ для нефтяников и судостроителей. Изготовление труб из ВЧ экономически выгодно нефтеперерабатывающей, химической промышленности, для оснастки нефтеперегонных, нефтеналивных судов, в мелиорации и жилищном хозяйстве. Экономическая эффективность в этих сферах производства и потребления складывается из следующих преимуществ:

– применение чугуна с шаровидным графитом, материала с высокими прочностными и пластическими показателями, взамен обычного серого чугуна с пластинчатым графитом позволяет снизить металлоёмкость продукции за счёт уменьшения толщины стенок трубы (табл. 2.1);

– повышение срока эксплуатации трубопроводов за счёт применения коррозионностойкого материала для изготовления труб;

– устранение боя труб при изготовлении, транспортировке и монтаже трубопроводов.

Чугуны с шаровидным графитом нашли широкое применение для массового производства отливок для электрооборудования, станин, подшипниковых щитов, выводных устройств взрывозащищенных электродвигателей. Использование деталей из ВЧ способствует повышению надёжности и безопасности работы электрооборудования в шахтах, рудниках и на других производствах.

За последнее время разработаны сплавы аустенитного чугуна с шаровидным графитом марки ЧН5Г6Д5Ш взамен высоколегированных сталей 10X18H10TJI, 10X18H12M3TJI, 10X21H5TЛ, которые применялись для деталей производства насосов в химическом машиностроении и предназначены для перекачивания агрессивных, нейтральных, токсичных, взрывоопасных жидкостей и сжиженных газов.

Таблица 2.1

Сравнительные данные массы труб из СЧ и ВЧ

Номи­нальный диаметр трубы, мм	Ствол				Масса раструба, кг		Масса трубы длиной 4 м, кг
	Толщина стенки, мм		Масса 1 пог. метра, кг
	СЧ	ВЧ	СЧ	ВЧ	СЧ	ВЧ	СЧ	ВЧ
100	9,0	6,1	22,3	15,1	6,6	4,3	95,8	64,5
150	10,0	6,3	36,4	22,8	10,7	7,1	156,3	98,5
200	11,0	6,4	52,9	30,6	14,6	10,3	226,2	133,0
250	12,0	6,8	71,6	40,2	20,4	14,2	306,8	175,0
300	13,0	7,2	92,7	50,8	26,7	18,6	397,5	222,0

Испытание гидроабразивной стойкости рабочих органов насосов показали, что чугун марки ЧН5Г6Д5Ш обладает стойкостью в 1,5 раза выше, чем сталь 10Х18Н12МЗТЗ и в 1,3 раза – чем сталь 10Х21Н5ТЛ (рис. 2.1).

Чугун марки ЧН5Г6Д5Ш является эррозионностойким и коррозионностойким материалом, который может заменить ряд высоколегированных сталей и цветных металлов при производстве герметичных насосов (рис. 2.2). В мире используют несколько вариантов контейнеров для хранения отработанного ядерного топлива, однако наиболее признаны в мировой практике контейнеры, изготовленные из чугуна с шаровидным графитом. Производство корпусов контейнеров из ВЧШГ во много раз дешевле по сравнению с изготовлением из стальных поковок (Х18Н10Т). При этом снижение затрат при производстве одного 100 тонного контейнера из ВЧШГ в сравнении со стальным составляет ~ 500 тыс. долларов США.

Рис. 2.1. Износ материалов в 10 %-ной гидроабразивной среде:

1 – сталь 10Х18Н12МЭЛТ; 2 – сталь 10Х21Н5ТЛ; 3 – чугун

ЧН5Г6Д5Ш

Механические свойства высокопрочного чугуна с шаровидным графитом вследствие шаровидной формы графита резко отличаются от свойств исходного серого чугуна. В табл. 2.2 для сопоставления приведены данные о механических свойствах литой стали, магниевого, серого и ковкого чугунов.

Из табл. 2.2 видно, что предел прочности при разрыве магниевого чугуна приближается к пределу прочности углеродистой стали (70 – 80 % от прочности стали) и значительно превосходит прочность серого и ковкого чугунов. Пластичность магниевого чугуна намного (в 5 – 15 раз) превышает пластичность серого чугуна и близка к пластичности стали, но она сильно зависит от химического состава и условий охлаждения чугуна и особенно от содержания фосфора. С экономической точки зрения применение магниевого чугуна считается вполне целесообразным. Высокие механические и хорошие литейные свойства магниевого чугуна, дешевизна и возможность получения его путем обычной ваграночной плавки дают и основание рассматривать магниевый чугун как новый конструкционный материал. Из этого чугуна можно в ряде случаев с большим технико-экономическим эффектом отливать изделия, обычно изготавливаемых из стали, ковкого чугуна, бронзы и других цветных металлов. Применение магниевого чугуна позволяет уменьшить вес чугунных отливок и повысить их эксплуатационные качества за счёт повышения прочности.

Рис. 2.2. Показатели скорости коррозии чугуна ЧН5Г6Д5Ш

в различных средах:

1 – 40 %-ный раствор КОН; 2 – 40 %-ный раствор NaOH; 3 – 3 %-ный раствор КСl; 4 – 10 %-ный раствор СаСl₂; 5 – фенольная вода; 6 – перекись водорода; 7 – соляной раствор NaCl (30 г/л)

Таблица 2.2

Механические свойства труб из ВЧ, стали и серого чугуна

Показатель механических свойств	Трубы из СЧ		Трубы из ВЧ, центробежная отливка в кокиль			Трубы из нелеги­рован­ной стали
	Залитые в стацио­нарную, верти­кальную форму	Центро­бежная отливка в кокиль	Структура
			Перлит	Перлито-феррит	Фер­рит
Предел проч­ности при растяжении, МПа	140 – 180	200 – 250	650 – 900	500 – 650	440 – 520	350 – 420
Предел текучести, МПа	–	–	45 – 60	34 – 45	28 – 36	23 – 30
Относи­тельное удлинение, %	< 1	< 1	3 – 8	8 – 15	12 – 25	–
Модуль упругости, кПа	0,6 – 0,9	0,9 – 1,4	1,6 – 1,8	1,6 – 1,8	1,6 – 1,8	1,6 – 1,8
Твёрдость НВ	160 – 200	150 – 200	230 – 280	180 – 230	140 – 180	105 – 135
Ударная вязкость, МДж/м2	< 1	< 1	1 – 3	2 – 8	6 – 12	> 14

За последний период времени произошло расширение номенклатуры отливок ответственного назначения из магниевого чугуна в различных отраслях машиностроения: дизелестроении, компрессоростроении, судостроении, авто- и тракторостроении и т.д. Прокатные валки из магниевого чугуна обладают в 2 – 3 раза большей стойкостью, чем из отбелённого чугуна с пластинчатым графитом, а изложницы из магниевого чугуна служат в 2 – 2,5 раза дольше, чем из серого чугуна.