журналы подразделения новости подписка контакты home

архив
2001 год
2002 год
2003 год
2004 год
рубрики
РЕКОНСТРУКЦИЯ

ПРОФИЛЬ

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ

РЫНОК ЧЕРНЫХ МЕТАЛЛОВ

РЫНОК ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

ЦЕНОВАЯ ИНФОРМАЦИЯ

гостям
Агентство "Стандарт" предлагает вам подписаться на экномические журналы – лидеры в своей области.
























"Металлы мира" – №9, 2002

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ

Чугун – металл XXI века

Новые сорта чугуна с уникальными свойствами обеспечивают этому материалу множество областей применения как в традиционной промышленности, так и в сфере высоких технологий

Неблизкий путь прошел чугун от версальского водопровода Людовика XIV до современных синхротронов – история его промышленного применения насчитывает несколько столетий. За это время появились эффективные технологии и расширились объемы его производства. Однако, как сам чугун, так и сферы его использования не претерпели существенных изменений до 50-х годов ХХ века, когда появились способы производства качественно нового материала. Быстро приобрели популярность его разновидности – ковкий чугун, чугун с уплотненным и со сферическим графитом. С тех пор для этого материала открылись совершенно новые перспективы, и он уже начинает вытеснять сталь из некоторых традиционных сфер ее применения. Правда, это весьма и весьма постепенный процесс.

От инновации до инновации – 500 лет

Первые официальные упоминания об использовании труб из литейного чугуна датируются 1455 годом – именно тогда в Германии был построен первый такой трубопровод. Позднее, в 1664 году, по приказу французского короля Людовика XIV был построен чугунный водопровод длиной 15 миль от насосной станции в Марли на Сене до Версаля. По нему поступала вода для дворцовых фонтанов и садов в течение более 330 лет. В США чугунные трубы появились в 1817 году, и с их использованием были заложены основы современной системы водоснабжения в Филадельфии. В настоящее время около 565 коммунальных предприятий США и Канады продолжают использовать трубы из литейного чугуна, функционирующие уже более 100 лет, а, по крайней мере, 16 из этих структур пользуются трубопроводами, непрерывно эксплуатируемыми более 150 лет.

Такая долговечность, безусловно, заслуживает самого глубокого уважения, однако это не мешает чугуну числиться "устаревшим" металлом, время которого безвозвратно прошло еще в XIX веке. Действительно, специфические свойства чугуна делают его пригодным только в весьма ограниченной области, хотя как раз в этом направлении в последнее время и наметились некоторые изменения.

В общем случае серый литейный чугун представляет собой сплав, содержащий более 2% углерода. В твердом состоянии этот материал содержит углерод в виде свободных графитных флокенов в структуре металла. Серый чугун – относительно хрупкий материал с серой поверхностью разлома. Возникающие в нем трещины могут легко распространяться вдоль графитных флокенов, у которых нет механической прочности. Тем не менее, серый чугун характеризуется рядом полезных свойств, в частности, высокой демпфирующей способностью и прочностью на сжатие (поэтому его применяют в производстве обойм подшипников, эффективно поглощающих вибрацию от вращения деталей). В жидком состоянии этот материал обладает высокой текучестью, и его часто используют для создания орнаментов и декоративных решеток и оград. Однако наиболее широкой сферой применения чугуна долгое время были трубы для водопроводных и канализационных систем.

Принципиально новый материал – литейный чугун со сфероидальными графитными включениями (SGI) – появился в 50-х годах прошлого столетия. Первые две технологии его производства разработали компании Morrogh (с использованием церия, BCIRA, 1946 BP 645862) и International Nickel Co. (с применением магния, 1947 BP 630.070). Именно тогда обнаружилось, что при отвердевании обработанного магнием расплава серого чугуна графитные включения приобретают форму, близкую к сферической. Эти графитные сфероиды уплотнены чистым железом, поэтому трещины в таком материале не могут распространяться так же легко, как в сером чугуне. На основе этих технологий началось производство ковкого и сравнительно прочного металла, необходимого для создания конструкций, функционирующих при высоких механических напряжениях. Как и в случае с серым чугуном, посредством введения различных добавок характеристики этого материала можно варьировать в определенном диапазоне.

В 1955 году на рынке появились первые трубы из ковкого чугуна, и их применение практически сразу было стандартизовано для производства водопроводных и канализационных систем. Последующие несколько десятилетий эксплуатации надежно доказали их прочность, долговечность и безусловную пригодность для подачи технической и питьевой воды, отвода сточных вод, нечистот и отходов химического производства. Разработанные в соответствии с наиболее жесткими промышленными стандартами трубы из ковкого чугуна практически не подвержены дефектам, сопряженным с их транспортировкой и монтажом; будучи однажды установлены, они безотказно функционируют в самых неблагоприятных условиях, включая резкие изменения напора воды, промерзание грунта, высокий уровень подземных вод и большие нагрузки. Такие трубопроводы включают подводные (пересечения рек) и навесные участки, их закладывают также в глубокие траншеи. Они достаточно надежны, чтобы выдерживать оползни и прочие нестабильности грунта. Кроме того, многочисленные лабораторные и полевые испытания свидетельствуют, что коррозионная стойкость ковкого чугуна выше, чем у его литейного предшественника, который находится в непрерывной эксплуатации несоизмеримо дольше, чем любой другой трубопроводный материал.

Технические характеристики нового материала

Чугун с уплотненным графитом (CGI) начал приобретать промышленное значение сравнительно недавно. Эта форма графита была открыта на начальном этапе разработки ковкого чугуна, но способ производства, пригодный для промышленного применения, разработан сравнительно недавно. В настоящее время уже имеются эффективные технологии получения CGI, но последующее производство отливок со стабильными характеристиками требует жесткого контроля металлургических параметров.

По своим характеристикам этот материал занимает промежуточное положение между серым и ковким видами чугуна. Как и в сером чугуне, графит в CGI присутствует в виде взаимосвязанных флокенов. Это позволяет производить литые детали, обладающие постоянством объема или равномерностью его изменения, что особенно важно для отливок сложной формы или с фасонными полыми участками. По сравнению с серым чугуном сравнительно небольшая длина и тупые кромки пластинок графита обеспечивают CGI более высокую прочность, некоторое увеличение пластичности и улучшение технологичности при финишной обработке. При этом, взаимосвязанность графита в CGI придает этому материалу несколько большую теплопроводность, повышает демпфирующую способность конструкций и степень его обработки по сравнению с ковкими категориями.

Механические свойства при растяжении и прочностные характеристики чугуна с уплотненным графитом аналогичны тем, которые наблюдаются у ковких категорий, но CGI отличается меньшей пластичностью. С другой стороны, его прочность равна прочности серых чугунов (или превышает ее) при значительно более высокой пластичности. Чугуны с уплотненным графитом проявляют определенную линейную упругость, но с более низким пределом пропорциональности по сравнению с пластичным чугуном. При этом, пределы текучести и прочности на разрыв у перлитного материала выше, чем у ферритного ковкого чугуна, для которого характерны более низкая твердость и высокая пластичность. Отношение предела прочности на разрыв к твердости по Бриннелю у CGI несколько выше, чем у серого чугуна, и свойства уплотненного материала при различной твердости могут варьироваться в широком диапазоне.

Механические свойства CGI при растяжении и твердость по Бриннелю существенным образом зависят от микроструктуры материала; особое значение имеют количество графита и его распределение. Частично графит в CGI присутствует в виде сфероидов (как и в ковких категориях чугуна); можно также варьировать концентрацию "притупленных" флокенов. Упругие характеристики чугуна зависят от соотношения концентраций сферических включений и частиц с плотной упаковкой. Чем больше частиц графита в чугуне имеют форму, близкую к сферической, тем выше у этого материала предел прочности на разрыв и относительное удлинение.

Влияние изменений химического состава на твердость чугуна с уплотненным графитом и его механические свойства при растяжении в общем случае аналогично процессам, наблюдаемым в сером и ковком чугуне. Предел прочности на разрыв у CGI снижается по мере увеличения концентрации углерода, но это происходит медленнее, чем у серого чугуна. При повышении содержания кремния в интервале от 1,2 до 2,6% увеличиваются прочность на разрыв, предел текучести и твердость; при этом, относительное удлинение после литья растет, а после отжига – уменьшается. Добавки фосфора (до 0,12%) способствуют укреплению прочности на разрыв, но сокращают относительное удлинение. При этом, содержание фосфора более 0,06% приводит к потере пластичности. Медь и ванадий наращивают прочность на разрыв и твердость, но снижают пластичность.

Влияние увеличения сечения отливки состоит в некотором ослаблении прочности на разрыв – практически таком же, как и у других видов чугуна. Самый низкий предел прочности наблюдается у высокоуглеродистых материалов с ферритной основой. Скорость остывания после отвердевания зависит от толщины отливки и температуры ее выбивки, а это, в свою очередь, влияет на механические свойства. При увеличении времени остывания в литейной форме перед выбивкой твердость детали из CGI уменьшается.

Модуль упругости чугуна с уплотненным графитом обычно варьируется в диапазоне 138-165 ГПа. Его значение зависит от количества и формы графитных включений, сечения отливки и структуры матрицы. Более высокие модули упругости наблюдаются при повышении степени сферичности графитных включений, уменьшении сечения и повышении степени перлитности матрицы. Усталостные свойства зависят от структуры матрицы, содержания сферических графитных включений и наличия механических повреждений. Даже небольшой рост концентрации сферического графита обеспечивает увеличение усталостной прочности. К этому же эффекту приводит прибавление количества перлитных доменов. Влияние матричной структуры на усталостную прочность менее выражено. Ударная вязкость уменьшается при интенсивной концентрации перлита и фосфора, но увеличивается при повышении содержания углерода.

Высокопрочный чугун

Структура серых литейных чугунов аналогична структуре обычных сталей, но в них присутствуют графитные флокены, нарушающие непрерывность решетки железа. Благодаря перлитной структуре по своей прочности на разрыв (до 370 МПа) и ударной вязкости литейный чугун приближается к обычной стали (0,95% углерода); эти параметры лимитируются только формой и распределением графитных включений, а также зернистостью перлита. Именно этот металл стал предшественником высокопрочных чугунов нового поколения. Для модификации микроструктуры и свойств чугунов обычно используют один из следующих способов:

1. Специализированные технологии плавления и литья. В 1914-1918 годах постепенно развивались технологии производства так называемой "полустали" (или "сталистого чугуна"), которые и заложили основу современных методов получения материалов с оптимизированными характеристиками. Один из них заключается в том, что в вагранку добавляют стальной лом, несколько снижающий содержание углерода и, в частности, уменьшающий количество свободного графита одновременно с формированием перлитной матрицы. Другие приемы предусматривают перегрев расплавленных металлов в отдельной печи для их очистки от углерода. Альтернативные технологии предполагают графитизацию белого чугуна в ходе его выплавки, для чего металл модифицируют в ковше добавлением ферросилиция (75% Si), а иногда и стронция, чтобы довести прочность материала на разрыв до 370 МПа.

2. Введение легирующих добавок. Чаще всего в производстве литейного чугуна в качестве специализированных добавок используют никель, хром, медь и молибден. Никель приводит к получению серого чугуна, и в этом отношении он менее эффективен, чем кремний. Поэтому при литье деталей, сечения которых варьируются в широком диапазоне, можно несколько уменьшать количество кремния за счет добавки никеля, чтобы предотвратить отбеливание чугуна в тонких профилях при сохранении непрерывности структуры в толстых сечениях. С другой стороны, введение хрома, образующего карбиды, оказывает действие, противоположное никелю, но, в то же время, этот металл обеспечивает измельчение зерен. В свою очередь, молибден упрочняет перлитную матрицу, поскольку обеспечивает ее мелкозернистую структуру, но его преимущественно используют в комбинации с другими элементами (типа никеля) для получения игольчатых структур. Все эти элементы, вместе взятые и в отдельности, обычно присутствуют в чугунах, предназначенных для производства цилиндров двигателей.

3. Термообработка, особенно применительно к белому чугуну.

Легированные чугуны условно подразделяются на пять основных категорий:

1. Перлитные чугуны (0,5-2% никеля, до 0,8% хрома и до 0,6% – молибдена). Это наиболее распространенные категории литейных материалов. Небольшие добавки олова (до 0,1%) приводят к созданию полностью перлитной матрицы. Высокоуглеродистый чугун, легированный комбинацией Ni-Cr-Mo, проявляет высокую устойчивость к термоударам, что обеспечивает его широкое применение в таких сферах как формы для литья под давлением и тормозные барабаны. Никель и хром обеспечивают необходимую плотность упаковки зерен, а молибден способствует упрочнению матрицы, при этом, значительное содержание графита снижает тенденцию к растрескиванию. Из хромомолибденовых (0,6 и 0,6%) материалов производят гильзы цилиндров двигателей, пресс-формы, втулки и муфты прессов и прочие детали, от которых требуется высокая износостойкость при сравнительно больших сечениях. Литейный чугун, в котором содержится по 1% хрома и молибдена, используют в матрицах для производства поршневых колец, подвергающихся специальной термообработке, с тем чтобы обеспечить высокую поперечную прочность на разрыв при высоком модуле упругости.

2. Игольчатые чугуны (2,9-3,2% углерода, 1,5-2,0% никеля и 0,3-0,6% молибдена, иногда до 1-5% никеля заменяют медью). Эти твердые высокопрочные и вибропрочные материалы используют для производства коленвалов дизельных двигателей, шестерен, зубчатых передач и станин станков. Корректная дозировка содержания никеля и молибдена, коррелированная со скоростью охлаждения конкретных отливок, позволяет обойти точку перлитного перехода и получить промежуточную игольчатую фазу (ферритные иглы в аустенитной матрице) с высокими механическими характеристиками. Этот материал значительно прочнее перлитных литейных чугунов. Его прочность на разрыв (при содержании углерода около 3%) можно варьировать в пределах 380-540 МПа даже для отливок большого сечения. Однако производство этого материала требует строжайшего металлургического контроля. В присутствии молибдена содержание фосфора не должно превышать 0,15%, иначе будет образовываться соединение, обедняющее матрицу молибденом. Содержание кремния может варьироваться в широких пределах, но избыток хрома более 0,4% чреват отрицательными последствиями. Кроме того, при 600-750°C резко изменяется структура материала, и эти чугуны не следует использовать при температурах выше 300°C.

3. Мартенситные чугуны (5-7% никеля и другие элементы) отличаются высокой твердостью. Их применяют для производства деталей, подвергающихся абразивным воздействиям (например, металлообрабатывающие вальцы).

4. Аустенитные чугуны – это немагнитные материалы, в которых содержание никеля варьируется в пределах 11-33%. Однако, если концентрация никеля ниже 20%, то для сохранения аустенитной структуры необходимо добавлять около 6% меди или марганца. Например, чугуны Nomag содержат 11% Ni и 6% Mn. Этот состав обеспечивает высокую коррозионную и термическую устойчивость. В отличие от обычного литейного чугуна, для этих материалов характерны следующие свойства:

а) коррозионная стойкость;

б) выраженная термостойкость;

в) ненамагничиваемость при определенных составах;

г) низкая электропроводность при незначительном температурном коэффициенте сопротивления;

д) высокий коэффициент теплового расширения;

е) отсутствие точек фазового перехода.

5. Литейный чугун со сфероидальными графитными включениями (SGI). В настоящее время для получения такого типа чугунов из различных видов сырья используют комбинацию добавок церия и магния с последующим введением ферросилиция в качестве модификатора. В промышленности используются чугуны SGI с перлитной или ферритной матрицей, которые формируют при помощи непродолжительного отжига. Кроме того, при соответствующей комбинации легирующих добавок можно создавать материалы с аустенитной и игольчатой матрицами. Прочность на разрыв и относительное удлинение аналогичны параметрам стали (370 МПа и 17% соответственно для SGI с ферритной решеткой, 700 МПа и 2% – в случае перлитной структуры), но при специальной термообработке или введении легирующих добавок прочность материала можно довести до 925 МПа.

Демпфирующая способность у SGI ниже, чем у чугунов с флокеновым графитом, зато ударная вязкость, термостойкость и свариваемость значительно выше. Таким образом, SGI способны успешно конкурировать с ковким чугуном в сфере производства профилей большого сечения, литейной сталью и легированным литейным чугуном с графитными флокенами. К преимуществам этих материалов относится и то, что их механические характеристики не слишком зависят от сечения отливок. Например, если изменение толщины профиля из серого чугуна от 25 до 150 мм приводит к снижению прочности от 278 до 154 МПа, то у SGI прочность на разрыв изменяется от 664 до 587 MPa. Детали современных механизмов, заводского оборудования и транспортных средств должны удовлетворять все более жесткие требования в отношении эксплуатационных характеристик, и обнаружилось, что в их производстве материалы SGI представляют весьма удачную альтернативу обычному литейному чугуну. Соответственно, для этого перспективного материала открываются широкие и часто весьма неожиданные сферы применения.

На земле и в небесах

Компания Enercon – лидер германского рынка ветряных электростанций – широко использует чугун как перспективный материал для производства ключевых деталей турбин, функционирующих при высоких нагрузках. В частности, Enercon применяет высокопрочный, ковкий и недорогой чугун SGI для изготовления ступиц. Оказалось, что такие литые ступицы значительно эффективнее аналогичных сварных конструкций, которые производятся из соответствующим образом термообработанной стали.

Несмотря на довольно сложную конфигурацию и значительный вес (около 7,2 т) отлитая из SGI деталь функционирует весьма надежно. Она имеет серьезные преимущества перед альтернативной сварной конструкцией, в которой швы приходится прокладывать именно в тех местах, где они наиболее нежелательны, – на участках, подвергаемых самым сильным динамическим воздействиям. Кроме того, крайне трудно спроектировать сварную конструкцию, соответствующую реальному распределению напряжений по всей детали. Для компенсации недостатков сварные конструкции должны иметь толщину стенок, примерно, на 50% больше, чем у литых.

В свою очередь, компания Meuselwitz Guss, выпускающая шесть категорий крупногабаритных литых деталей для изготовляемых Enercon генераторов мощностью 1,5 МВт, использует SGI для лопастей ротора. В современных энергогенерирующих установках на электростанциях мегаваттного класса длина роторных лопастей составляет более 30 м, и при сильных порывах ветра детали с таким рычагом подвергаются мощным нагрузкам.

SGI, в принципе, находит применение в самых различных сферах, особенно там, где к литым конструкциям предъявляются особые требования в отношении жесткости, когда нужно строго соблюдать точные размеры. Необходимость в таких материалах возникает, например, у физиков, проводящих эксперименты с синхротронным (магнитотормозным) излучением. В этой сфере используются магнитные поля чрезвычайно высокой напряженности, поэтому необходимы конструкции, способные удерживать мощные постоянные магниты, расположенные друг против друга рядами длиной до 4,25 м. Эти магнитные поля индуцируют силы притяжения порядка 300 кН (30 т), и малейшее смещение рядов сопряжено с возникновением новых значительных продольных и поперечных сил.

По словам специалистов исследовательско-конструкторского подразделения Heidenreich & Harbeck (H&H) GieЯerei, основная проблема состоит в создании конструкции, способной выдерживать такие нагрузки с сохранением заданного положения при допуске не более 3 мкм. Кроме того, подобная точность должна быть гарантированно обеспечена, даже если систему приходится часто разбирать и собирать заново.

Сварные конструкции практически не способны удовлетворять эти требования, поскольку их ребра жесткости нельзя приспособить к перераспределению нагрузок таким образом, как это происходит в случае литых деталей. Кроме того, производство термообработанной стали требует использования дорогостоящих легирующих компонентов, а достижение необходимых механических характеристик сопряжено со сложнейшим и высокозатратным процессом. При этом, материал SGI производят, лишь подвергая расплав "обычного" литейного чугуна обработке магнием, который придает графитным включениям сфероидальную форму. Необходимо только обеспечивать стандартный набор легирующих элементов (углерод, кремний и др.), а также выполнение основных условий, связанных с тем, что расплав содержит некоторые примеси (в частности, – серу и марганец). Соответственно, следует предусмотреть определенный "интервал легирования". Еще одно преимущество SGI в том, что в отличие от стальных изделий увеличение толщины стенок деталей из этого материала практически не влияет на их механические характеристики, так что этот чугун можно использовать для производства крупногабаритных отливок с толщиной стенки 500 мм и более.

Промышленность выпускает много вариантов материала SGI. В некоторых из них используются дополнительные легирующие компоненты, дающие возможность варьировать прочность материала на разрыв в пределах 350-900 Н/мм2. Для толстостенных деталей подобный предел прочности на разрыв достижим только при использовании сталей с высоким содержанием легирующих элементов. Кроме того, SGI можно подвергать специальной термообработке для создания промежуточной бейнитной структуры. В этом случае материал в зависимости от его категории – так называемый "изотермически отпущенный ковкий чугун (ADI)" – приобретает прочность на разрыв от 800 до более 1400 Н/мм2.

Для категорий SGI с небольшой прочностью на разрыв характерна высокая ковкость, когда относительное удлинение при разрушении составляет 22% и более. Некоторые другие категории, например EN-GJS-400-18-LT, пригодны для эксплуатации при низких температурах. Этот материал, к тому же, имеет хорошие характеристики в плане демпфирования звука и вибраций. При этом, SGI отличается прекрасной технологичностью.

При всех этих преимуществах цены на материал SGI вполне конкурентоспособны. Хотя в чугун, предназначенный для производства толстостенных деталей, вводят определенное количество легирующих добавок (медь, молибден или никель), производственные затраты остаются значительно ниже, чем расходы, сопряженные с выплавкой терморафинированной стали аналогичной прочности. В Германии детали из SGI используются в машиностроении, секторе заводского строительства, в дорожно-транспортной и судостроительной отраслях. Кроме того, чугунные отливки часто становятся ключевыми компонентами многих категорий продукции сектора высоких технологий.

Галина Резник

 
© агенство "Стандарт"