Cвойства чугуна для деталей трубопроводной арматуры

Чугун широко применяют для изготовления различных деталей трубопроводной арматуры и резервуарного оборудования: корпусы и пробки кранов трубопроводов, корпусы и крышки конденсационных горшков, корпусы огневых предохранителей резервуаров и т. д. Он обладает способностью поглощать вибрации и выравнивать напряжения. Его работоспособность практически не зависит от степени чистоты поверхности отливок, наличия надрезов на ней и т. п. (рис. 1.11, 1.12).

Рис. 1.11. Общий вид чугунной задвижки.

Рис. 1.12. Задвижка чугунная с обрезиненным клином невыдвижным шпинделем фланцевая 30ч39р на Рn 1.0 МПа (10кгс/см2): 1 — корпус, 2 — крышка, 3 — шпиндель, 4 — клин запорный, 5 — втулка опорная, 6 — маховик.

Кроме того, чугунные отливки имеют невысокую стоимость, хорошие технологические и высокие механические свойства.

Чугуны классифицируются главным образом по химическому составу и микроструктуре.

По химическому составу чугуны делятся на нелегированные и легированные. Нелегированным называется чугун, в котором кроме углерода содержится (в %) до 4 Si, до 2 Мn, до (1 - 1,2) Р, до (0,18 - 0,2) S. Легированным называется чугун, в котором содержатся кремний или марганец выше указанных пределов или специально введенные легирующие примеси — хром, никель, медь, молибден и др.

По структуре чугуны делятся на белые, серые, ковкие высокопрочные с шаровидным графитом. Свойства чугуна определяются структурой его металлической основы и характером включений углерода (в виде цементита или графита). Одновременным изменением структуры металлической основы и формы графитных включений, а также введением легирующих элементов получены чугуны, по свойствам почти равноценные стальному литью, поковкам.

Белый чугун содержит углерод в виде цементита и имеет белый лучистый вид излома. Такой чугун отличается высокой твердостью, прочностью, высокими износостойкостью и хрупкостью. Он плохо поддается обработке резанием, поэтому его почти не используют. Применяют обычно серый чугун с включениями графита и отбеленной поверхностью, т. е. чугун, поверхностные слои которого имеют структуру белого чугуна для увеличения износостойкости, а сердцевина — структуру серого чугуна.

Серый чугун обладает наилучшими технологическими и хорошими физико-механическими свойствами и является основным материалом для различных отливок. Он содержит (в %): (3 - 3,6) С, (0,4 - 1) Мn, (1,3 - 3,5) Si, (0,12 - 1) Р, (0,1 - 0,15) S. Структура металлической основы такого чугуна может быть ферритной, перлитной или перлитно-ферритной, а форма графита - пластинчатая. Излом чугуна серый, обусловленный выделением графита в металлической основе.

В зависимости от предела прочности при растяжении серый чугун подразделяется на различные марки (таблица Д.7). В обозначении марок серых чугунов двузначное число показывает предел прочности при растяжении. Чугун имеет в 1,5 - 2 раза меньший модуль упругости по сравнению с модулем упругости стали, причем значение его уменьшается с увеличением растягивающих напряжений, что связано с наличием графитных включений в чугуне.

Таблица Д. 7 Механические свойства отливок из серого чугуна
 

Марка чугуна	Предел прочности при растяжении, МПа, не менее	Предел прочности при изгибе, МПа, не менее	Твердость, НВ
СЧ10	98	274	143-229
СЧ15	147	314	163-229
СЧ20	196	392	170-241
СЧ25	245	451	180-250
СЧ30	294	490	181-255
СЧ35	343	539	197-269
СЧ40	392	588	207-285
СЧ45	441	637	229-289

Для арматуры низкого давления при температуре от минус 15 до 250 °С применяют серый чугун марок СЧ10, СЧ15, СЧ20, СЧ25 и др. Из серого чугуна этих марок изготавливают различные детали арматуры (корпусы редукторов, шестерни, маховики, стойки, кронштейны и т.д.).

Чугун марок СЧ25, СЧ30 — модифицированный серый чугун, процесс получения которого с пластинчатым графитом обычно состоит из двух стадий. Сначала выплавляют сравнительно малоуглеродистый и малокремнистый чугун, который в нормальных условиях охлаждения дает белый или половинчатый излом. Затем путем присадки перед заливкой в формы графитизирующих элементов (ферросилиций, силикокальций и др.) в небольших количествах (примерно 0,5 — 0,8 % от массы жидкого металла) он превращается в процессе охлаждения в чугун с серым изломом. Сущность модифицирования заключается в активном воздействии на ход процесса кристаллизации небольших количеств специальных добавок (модификаторов), вводимых в жидкий металл. Добавки изменяют температуру кристаллизации и условия роста отдельных фаз. Структура становится более однородной и мелкозернистой, что обеспечивает повышение статической и динамической прочности чугуна.

Примерный химический состав (в %) серого (нелегированного) модифицированного чугуна следующий: (2,8 - 3) С; (0,8 - 1,2) Мn; (1,2 - 2) Si; до 0,2 Р; до 0,14 S.

Из чугуна марок СЧ30, СЧ35 изготавливают ответственную арматуру с большими диаметрами условных проходов, к которой по прочности, плотности и однородности предъявляют высокие требования.

В зависимости от степени легирования серые чугуны подразделяются на низколегированные с содержанием легирующих элементов 3-10 % и высоколегированные с содержанием легирующих элементов свыше 10 %. В зависимости от преобладания того или другого элемента по количеству или влиянию чугун, так же как и сталь, называется никелевым, хромоникелевым, мелистым, кремнистым и т. п. Легированный чугун имеет более высокие показатели механических свойств по сравнению с обычными серыми и модифицированными чугунами (σв при растяжении до 450 МПа и выше), а также износостойкость, антифрикционность, теплоустойчивость и т. п.

Низко- и среднелегированные серые чугуны - хорошие конструкционные материалы, обладающие более высокими эксплуатационными свойствами, чем простые серые и модифицированные нелегированные чугуны, а именно — имеют повышенную износоустойчивость и т. п. Низко- и среднелегированные чугуны содержат (в %): до 1 Cr, Ni, иногда до 2 Сu, до 0,2 Ti, до 0,6 Мо, до 0,2 V. Из низколегированных чугунов наибольшее применение получил хромоникелевый чугун состава (%): (2,9 - 3,3) С; (1,4 - 2,3) Si, (0,5 - 1) Мn, (0,1 - 0,12) S; (0,2 - 1,5) Ni; (0,2 - 0,7) Сr; иногда (0,5 - 1) Сu и до 0,2 Ti. По механическим свойствам указанный чугун соответствует маркам СЧ25, СЧ30, СЧ35. Среднелегированный хромоникелевый чугун применяют как износоустойчивый материал с химическим составом (в %): (2,8 - 3,2) С; (1 - 1,8) Si; (2 - 4) Ni; (0,3 - 1) Сr; (0,6 - 1) Мn; до 0,12 S; до 0,2 Р.

Применение легирования в сочетании с модифицированием позволяет получать высокопрочные марки чугуна. Низколегированные и среднелегированные чугуны можно применять в сочетании с модифицированием или без него.

Высоколегированный серый чугун применяют для изготовления деталей, которые при эксплуатации должны обладать какими-либо специальными свойствами — стойкостью к агрессивным средам (кислотам, щелочам и т. п.), жаростойкостью, немагнитностью и др. Представители высоколегированных чугунов — чугуны марок ЧН17ДЗХ2, ЧН5Г8, ЧН15Д7Х2 и др.

По сравнению со стальным литьем ковкий чугун отличается более высокой чистотой механически необработанных каналов. По механическим свойствам он занимает промежуточное положение между серым чугуном и сталью и дает плотные отливки (таблица Д.8). Износоустойчивость ковкого чугуна несколько ниже, чем стального литья. В обозначении марки ковкого чугуна двузначное число показывает предел прочности при растяжении образца.

Таблица Д.8. Механические свойства ковкого чугуна, полученного графитизирующим отжигом

Марка чугуна	Предел прочности при растяжении МПа, не менее	Относительное удлинение на литом образце d = 16 мм, %, не менее	Твердость НВ, не более
КЧ30	300	6	163
КЧ33	330	8	149
КЧ35	350	10	149
КЧ37	370	12	149
КЧ45	450	6	241
КЧ50	500	4	241
КЧ56	560	6	269
КЧ60	600	3	269
КЧ63	630	2	269

Отливки из ковкого чугуна получают в результате термической обработки (отжига) отливок из белого чугуна. Микроструктура ковкого чугуна - зернистый перлит и углерод отжига в форме хлопьев. Трубопроводную арматуру из ковкого чугуна марок КЧ30 и КЧЗЗ применяют для температур от минус 30 до 400 ºС и давлений до 4 МПа при условном диаметре прохода Dy 80 мм. Возможно применение ковкого чугуна для изготовления арматуры Dy=100 мм при рабочем давлении до 2 МПа и температуре менее 300 °С.

Способ выплавки высокопрочного чугуна со сферическим (шаровидным) графитом заключается в обработке жидкого чугуна с повышенным содержанием углерода и кремния, присадками, содержащими магний, церий или другие элементы, а также графитизирующие модификаторы. Присадки, содержащие магний, являются наиболее эффективными и обеспечивают получение шаровидного графита, а присадки графитизирующих модификаторов, способствуя графитизации, не допускают получения в отливках структурно свободного цементита. Шаровидная форма графита в отличие от пластинчатой вызывает меньшие концентрации напряжений и позволяет повысить прочность основной (металлической) массы чугуна на 70 - 90 % при наличии пластичности. В зависимости от химического состава (таблица Д.9) и условий технологического процесса чугун с шаровидным графитом получают на перлитной, ферритной или ферритно-перлитной основе. В обозначении марки чугуна двузначное число показывает предел прочности при растяжении (таблица Д. 10).

Таблица Д. 9. Химический состав высокопрочного чугуна разных марок, %

Марка чугуна	Углерод			Кремний
	Толщина стенки отливки, мм
	< 50	50 - 100	> 100	<50	50 - 100	> 100
ВЧ35	3,3-3,8	3-3,5	2,7-3,2	1,9-2,9	1,3-1,7	0,8-1,5
ВЧ40	3,3-3,8	3-3,5	2,7-3,2	1,9-2,9	1,2-1,7	0,5-1,5
ВЧ45	3,3-3,8	3-3,5	2,7-3,2	1,9-2,9	1,3-1,7	0,5-1,5
ВЧ50	3,2-3,7	3-3,3	2,7-3,2	1,9-2,9	2,2-2,6	0,8-1,5
ВЧ60	3,2-3,6	36-3,3	-	2,4-2,6	2,4-2,8	-
ВЧ70	3,2-3,6	3-3,3	-	2,6-2,9	2,6-2,9	-
ВЧ80	3,2-3,6	-	-	2,6-2,9	-	-
ВЧ100	3,2-3,6	-	-	3-3,8	-	-
Марка чугуна	Марганец	Фосфор (не более)	Сера (не более)	Хром (не более)	Медь (не более)	Никель (не более)
ВЧ35	0,2-0,6	0,1	0,02	0,05	-	-
ВЧ40	0,2-0,6	0,1	0,02	0,1	-	-
ВЧ45	0,3-0,7	0,1	0,02	0,1	-	-
ВЧ50	0,-0,7	0,1	0,02	0,15	-	-
ВЧ60	0,4-0,7	0,1	0,02	0,15	0,3	0,4
ВЧ70	0,4-0,7	0,1	0,15	0,15	0,4	0,6
ВЧ80	0,4-0,7	0,1	0,01	0,15	0,6	0,6
ВЧ100	0,4-0,7	0,1	0,01	0,15	0,6	0,8

Таблица Д. 10. Механические свойства высокопрочного чугуна разных марок

Марка чугуна	Предел прочности при растяжении, МПа, не менее	Условный предел текучести при растяжении, МПа, не менее	Относительное удлинение, %, не менее	Твердость НВ, не менее
ВЧ35	350	220	22	140-170
ВЧ40	400	250	15	140-202
ВЧ45	450	310	10	140-225
ВЧ50	500	320	7	153-245
ВЧ60	600	370	3	192-277
ВЧ70	700	420	2	228-302
ВЧ80	800	180	2	248-351
ВЧ100	1000	700	2	270-360

Чугуны марок ВЧ50, ВЧ60, ВЧ70 и другие относятся к чугунам перлитного типа благодаря преобладанию перлита в структуре основной (металлической) массы и характеризуются высокими показателями прочности при сравнительно невысоких показателях пластичности. Чугуны марок ВЧ45, ВЧ40 относятся к чугунам ферритно-перлитного типа благодаря преобладанию феррита в структуре основной (металлической) массы и характеризуются пониженной прочностью при сравнительно высоких показателях пластичности.

Важнейшие особенности механических свойств чугуна с шаровидным графитом: высокий предел прочности; высокое отношение предела текучести к пределу прочности (σт/σв = 0,8); повышенные значения пластичности (удлинение и ударная вязкость); высокий предел усталости; циклическая вязкость больше чем у стали. По прочности высокопрочный чугун с шаровидным графитом близок к качественным углеродистым сталям. Он является полноценным заменителем в ряде случаев стального литья, поковок из стали и ковкого чугуна. Высокопрочные чугуны марок ВЧ35, ВЧ45, ВЧ40 используют для отливок корпусов и крышек арматуры, работающих под давлением до 2,5 МПа и температуре 300 ºС, а также для других деталей арматуры при более широких пределах давлений и температур.