CC BY
18
/|ИТЕЙНОЕ£ •t ПРОИЗВОДСТВО
УДК 620.178.1
Поступила 14.04.2017
ОЦЕНКА ДИАПАЗОНОВ ВОЗМОЖНОГО ИЗМЕНЕНИЯ ВРЕМЕННОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ЧУГУНОВ С ПЛАСТИНЧАТЫМ И ХЛОПЬЕВИДНЫМ ГРАФИТОМ ПО ИХ ТВЕРДОСТИ
ASSESSMENT OF RANGES OF POSSIBLE CHANGE OF TEMPORARY RESISTANCE OF CAST IRON WITH LAMELLAR AND FLAKED GRAPHITE ON THEIR HARDNESS
С. Г. САНДОМИРСКИЙ, Объединенный институт машиностроения НАНБеларуси, Минск, Беларусь, ул. Академическая, 12. E-mail: sand@iaph.bas-net.by
S. G. SANDOMIRSKII, Joint Institute of Mechanical Engineering of National Academy of Sciences of Belarus, Minsk, Belarus, 12, Akademicheskaya str. E-mail: sand@iaph.bas-net.by
Проведен анализ диапазонов возможного изменения временного сопротивления sB отливок из ковкого и серого чугу-нов. Разработано аналитическое описание диапазонов изменения sB в зависимости от твердости НВ отливки. Показано, что широкий по сравнению со сталью диапазон изменения sB чугунных отливок с измеренной твердостью НВ обусловлен вариацией форм и размеров графитовых включений у рассмотренных классов чугунов и влиянием толщины стенки отливки из серого чугуна на зависимость sB (НВ). Результат предназначен для определения гарантированной величины sB отливки без ее разрушения в случаях, когда нет информации о sB образцов-свидетелей.
The analysis of ranges ofpossible change of temporary resistance of sB of castings from ductile and gray cast iron is carried out. The analytical description of ranges of change of sB depending on casting BH hardness is developed. It is shown that the range of change of sB ofpig-iron castings, wider in comparison with steel, with the measured hardness of BH is caused variations of forms and the amount ofgraphite inclusions at the considered classes of cast iron and influence of thickness of a wall of casting from gray cast iron on dependence of sB (HB). The result is intended for determination of the guaranteed casting size sB without her destruction, when there is no information on sB of check test pieces.
Ключевые слова. Чугун, механические свойства, временное сопротивление, твердость. Keywords. Cast iron, mechanical properties, ultimate resistance, strength, hardness.
Чугун наряду со сталью является основным материалом в машиностроении и металлургии . Во многом это связано с технологичностью чугуна, низкой стоимостью, высокими литейными свойствами и хорошей жидкотекучестью, небольшой усадкой, малой склонностью к образованию трещин . Можно отметить и хорошую обрабатываемость чугуна, высокую коррозионную стойкость, малую чувствительность к надрезам . Вместе с тем, не высокие механические свойства ведут к увеличению материалоемкости изделий . Низкая прочность при растяжении обусловлена прежде всего неблагоприятной формой графита. В наибольшей степени это относится к широко используемому в промышленности чугуну с пластинчатой формой графитовых включений (рис . 1, а), название которого «Серый чугун» (по характерному цвету излома) закреплено в ГОСТ 1412-85 «Чугун с пластинчатым графитом для отливок . Марки» . Условное обозначение марки включает буквы СЧ (серый чугун) и цифровое обозначение величины минимального временного сопротивления при растяжении в МПа • 101 . Для изготовления отливок предусмотрены следующие марки чугуна: СЧ10, СЧ15, СЧ18, СЧ20, СЧ21, СЧ24, СЧ25, СЧ30, СЧ35 . Прочность серого чугуна наряду с формой графитовых включений определяется структурой его металлической основы и характеризуется временным сопротивлением (пределом прочности) св .
Увеличение доли перлита (рис 1, а) по сравнению с долей феррита в металлической основе серого чугуна повышает его св . Наибольшую прочность и износостойкость обеспечивает перлитная структура металлической основы СЧ. Серые чугуны по свойствам и применению разделяют [2] на ферритные и ферритно-перлитные чугуны (до марки СЧ20) и перлитные чугуны (марка СЧ21 и выше) . Первые при-
меняют для изготовления малоответственных деталей, испытывающих небольшие нагрузки (строительных колонн, фундаментных плит, арматуры, литых малонагруженных деталей станков, тракторов, автомобилей), вторые - для отливки станин мощных станков и механизмов, поршней, цилиндров, деталей, работающих на износ в условиях больших давлений
Для повышения временного сопротивления чугуна создают более компактную форму графитовых включений в нем . Одним из путей этого является длительный двухстадийный отжиг отливок из белого чугуна [2]. Образующийся при таком отжиге графит в чугуне имеет компактную хлопьевидную форму (рис . 1, б). В соответствии с ГОСТ 1215-79 «Отливки из ковкого чугуна. Общие технические условия» такой чугун получил название ковкого . Его маркируют буквами КЧ и цифрами, первые из которых, как и у серого чугуна, указывают предел прочности при растяжении (в МПа), а вторые - относительное удлинение (в%) (у серых чугунов относительное удлинение практически равно нулю) . По ГОСТ 1215-79 выпускают ковкие чугуны марок КЧ30-6, КЧ33-8, КЧ35-10, КЧ37-12, КЧ45-7, КЧ50-5, КЧ55-4, КЧ60-3, КЧ65-3, КЧ70-2, КЧ80-1,5 . Ферритные ковкие чугуны КЧ35-10 и КЧ37-12 используют [2] в деталях, эксплуатируемых при высоких динамических и статических нагрузках (картеры редукторов, ступицы крюки, скобы), а КЧ30-6 и КЧ33-8 - в менее ответственных деталях (гайки, глушители, фланцы, муфты) . Перлитные ковкие чугуны КЧ50-5, КЧ55-4, КЧ60-3, КЧ65-3 обладают высокой прочностью, умеренной пластичностью и хорошими антифрикционными свойствами . Из них изготавливают вилки карданных валов, звенья и ролики конвейеров, втулки, муфты, тормозные колодки
Но определение марки (временного сопротивления) чугунов по ГОСТ 1412-85 и ГОСТ 1215-79 проводят на заготовках-свидетелях по ГОСТ 27208-87 «Отливки из чугуна. Методы механических испытаний» . Непосредственное измерение св или структуры отливки по ГОСТ 3443-87 «Отливки из чугуна с различной формой графита Методы определения структуры» требует разрушения отливки и исключает ее дальнейшую эксплуатацию . Актуально использование для оценки Св материала отливки параметра, измерение которого не приводит к разрушению отливки Одним из таких параметров является твердость НВ отливки, измеренная по ГОСТ 9012-59 «Металлы . Метод измерения твердости по Бринеллю» . Это следствие того, что твердость и прочность чугуна взаимосвязаны [3, 4] . Повышение твердости и серых, и ковких чугунов сопровождает рост прочности (для каждого из типов чугунов - по своим закономерностям в силу разной формы графитовых включений), так как изменения Св и НВ - следствие изменения степени искаженности кристаллической решетки металлической матрицы сплава . Увеличение массовой доли и степени дисперсности, например, эвтектоидного цементита, вызывает и рост твердости, и увеличивает прочность чугуна
В ГОСТ 9012-59 отмечено, что твердость по Бринеллю не переводится точно в другие величины твердости или прочности при растяжении Но практика позволила обобщить экспериментальные исследова-
до I г л гг ^[дадаш_
"•Л/ 2 (87), 2017-
ния механических свойств и твердости металлов и выразить связи между св и НВ сталей разных классов в виде таблиц [5] . Соотношение между Св и НВ ковких и серых чугунов приведено в ГОСТ 1215-79 и ГОСТ 1412-85 в виде таблиц (в ГОСТ 1412-85 - для отливок из серых чугунов с разной толщиной стенки) .
Цель статьи - аналитическое описание диапазона возможного изменения временного сопротивления отливок из серого и ковкого чугунов, твердость которых измерена .
Предпосылка решения задачи - полученное в [6] на основании табличных данных [5] аналитическое описание зависимости Св(НВ) для углеродистых сталей:
св « 3,5307тНВ, (1)
где х = 1 МПа - размерный множитель .
Зависимость (1) является верхней (заведомо не достижимой) границей диапазона значений Св чугунов с измеренным значением Нв .
Для установления искомого диапазона возможных значений Св ковких чугунов с измеренным значением Нв воспользуемся данными (ГОСТ 1215-79, табл . 1) о временном сопротивлении при растяжении и диапазоне возможного изменения твердости отливок, приведенными в таблице
Связь между твердостью НВ и временным сопротивлением св ковкого чугуна по ГОСТ 1215-79
Марка чугуна НвшЬ Нвтах Св МПа, не менее
КЧ30-6 100 163 294
КЧ33-8 100 163 323
КЧ35-10 100 163 333
КЧ37-12 110 163 362
КЧ45-7 150 207 441
КЧ50-5 170 230 490
КЧ55-4 192 241 539
КЧ60-3 200 269 588
КЧ65-3 212 269 637
КЧ70-2 241 285 686
КЧ80-1,5 270 320 784
На рис 2 приведены корреляционные поля между минимальным и максимальными значениями твердости Нв ковких чугунов и их минимально допустимым значением временного сопротивления Линии тренда приведенных на рис . 2 зависимостей имеют вид
св « х(2,682Нв + 48), (2)
св « х(2,843Нв - 141) . (3)
а б
Рис . 2 . Корреляционные поля и линии тренда зависимостей между минимальной (а) и максимальной (б) твердостью Нв ковких чугунов и их временным сопротивлением св по данным таблицы
лгггг^гс ктгглтж!
-2 (87), 2017 /
Рис . 3 . Зависимость св(НВ) для разных материалов: 1 - для углеродистых сталей в соответствии с (1); 2, 2, 3 - зависимости (2), (2'), (3), ограничивающие возможный диапазон изменения временного сопротивления св ковких чугунов, твердость НВ которых измерена; 4 - зависимость (4), ограничивающая снизу возможный диапазон изменения св серых чугунов, твердость НВ которых измерена; 5-7 - зависимости (5)-(7), ограничивающие снизу возможный диапазон изменения св отливок с толщиной стенки соответственно 50, 80 и 150 мм из серых чугунов, твердость НВ которых измерена; х - экспериментальные результаты для отливок из СЧ15 по [7] . Заштрихованные области - диапазон возможного изменения значений функции св(НВ) ферритного (Ф) и перлитного (П) ковкого чугуна по данным [3]
Достоверность Я2 аппроксимации (квадрат коэффициента Я корреляции) зависимостями (2) и (3) зависимостей Св (НВ), представленных на рис . 2, составила соответственно 0,99 и 0,98 . На рис . 3 зависимости (1)—(3) показаны соответственно прямыми 1, 2 и 3 .
Зависимость (2) должна ограничивать сверху возможный диапазон изменения временного сопротивления Св ковкого чугуна в отливках, твердость НВ которых измерена . Но вспомним, что использованные при ее построении значения Св (см . таблицу) по ГОСТ 1215-79 имеют статус «не менее» . Этим объясняется то, что верхний предел зависимости Св(НВ) перлитного ковкого чугуна по [3, рис .184] лежит несколько выше (рис . 3) зависимости Св(НВ), рассчитанной по (2) (значения функции Св(НВ) ферритного ковкого чугуна по [3] находятся между зависимостями (2) и (3) на рис . 3) . Следовательно, зависимость (2) должна быть скорректирована . На основании соотношения (см . таблицу) между Св и НВ ковких чугунов «соседних» марок и с учетом экспериментальных данных [3] предлагается следующая корректировка зависимости (2):
св « т(2,8 НВ + 60) . (2')
На рис . 3 зависимость (2 ) показана прямой 2.
Зависимость (3) ограничивает снизу возможный диапазон изменения временного сопротивления Св ковкого чугуна в отливках, твердость НВ которых измерена Одновременно можно считать, что зависимость (3) ограничивает сверху возможный диапазон изменения временного сопротивления материала отливок из серого чугуна, твердость которых измерена: она близка к верхней границе возможного диапазона изменения зависимости Св(НВ) серых чугунов по данным [3, рис . 184] измерений «разных исследователей»
Для установления нижней границы искомого диапазона возможных значений Св серых чугунов с измеренным значением НВ воспользуемся данными (ГОСТ 1412-85, Приложение 1) о временном сопротивлении при растяжении и твердости в стенках отливок разного сечения, приведенными на рис 4
Из рисунка видно, что для отливок с 4 < h, мм < 30 зависимости Св(НВ) практически не различаются . Корреляционное поле зависимости между Св и НВ для таких отливок приведено на рис . 5 .
Линия тренда приведенной на рис . 5 зависимости имеет вид
св « т(2,91НВ - 465) . (4)
Достоверность Я2 аппроксимации зависимостью (4) зависимости Св(НВ), представленной на рис . 5, составила 0,986 . На рис . 3 зависимость (4) изображена прямой 4.
Зависимости Св(НВ) для отливок из серого чугуна с толщиной стенки 50, 80 и 150 мм, приведенные на рис 4, при статистической обработке могут быть охарактеризованы соответственно линиями тренда:
св « т(2,53НВ - 301), (5)
св « т(3НВ - 366), (6)
св « т(2,52НВ - 241) . (7)
Достоверности Я2 аппроксимации зависимостями (5)-(7) соответствующих зависимостей Св(НВ), представленных на рис 4, составили соответственно 0,942, 0,95 и 0,987 На рис 3 зависимости (5)-(7) в диапазонах их изменения в соответствии с ГОСТ 1412-85 изображены отрезками 5-7 .
43
ега.МПа
150 ¡60 180 200 220 240 НВ
дд/шт^г: штлтп
ЧЧ/ 2 (87), 2017-
Рис . 4 . Зависимость минимальной величины св отливок из серых чугунов с разной толщиной h стенки от их НВ по данным ГОСТ 1412-85: х - для h = 4 мм; + - для h = 8 мм; • - для h = 15 мм; 0 - для h = 30 мм; о - для h = 50 мм; А - для h = 80 мм; □ - для h = 150 мм
Рис . 5 . Корреляционное поле и линия тренда зависимости между твердостью НВ серых чугунов и минимальной величиной их временного сопротивления св при 4 < ^ мм < 30 по данным ГОСТ 1412-85
Анализ рис . 3 показывает, что отрезки 5-7 лежат выше прямой 4. Следовательно, зависимость (4) определяет нижний предел возможного значения Св отливок из серого чугуна, твердость НВ которых измерена. Это подтверждают и приведенные на рис . 3 экспериментальные результаты измерения НВ и Св отливок из серого чугуна СЧ15, проведенные в [7] . Временное сопротивление Св и твердость НВ образцов в [7] определяли по стандартным методикам . Разрывные пробы имели диаметр 30 мм . Экспериментальные точки, приведенные на рис . 3, получены позиционированием экспериментальных точек в [7, рис . 3] . При этом все экспериментальные точки (НВ, Св) лежат выше прямой 4 и ниже прямой 3.
Выводы
В результате проведенного анализа установлено, что временное сопротивление Св отливок из ковкого и серого чугунов, твердость НВ которых измерена, может изменяться в пределах следующих диапазонов:
для ковкого чугуна:
2,843НВ - 141 < св, МПа < 2,8НВ + 60, (8)
для серого чугуна:
2,91НВ - 465 < св, МПа < 2,843НВ - 141. (9)
Относительно широкий по сравнению со сталью диапазон возможного изменения Св чугунных отливок с измеренной твердостью НВ обусловлен, в частности, возможной вариацией форм и размеров графитовых включений (см . , например, [1, фиг. 37, а, б]) в пределах рассмотренных классов чугунов . Для серых чугунов широкий диапазон изменения Св отливок с измеренной твердостью НВ обусловлен также и влиянием толщины стенки отливки на зависимость Св(НВ) в соответствии с ГОСТ 1412-85, Приложение 1
Полученный результат может быть использован для определения без разрушения отливки гарантированной величины ее временного сопротивления в тех случаях, когда информации о свойствах образцов-свидетелей нет
Литература
1. Болохвитинов Н. Ф. Атлас макро- и микроструктур металлов и сплавов / Н . Ф . Болохвитинов, Е . Н Болохвитинова . Изд . 2-е, перераб . и доп . М. : МАШГИЗ, 1959 . 88 с .
2 . Лахтин Ю. М. Материаловедение: учеб . для машиностроительных вузов / Ю . М. Лахтин, В . П. Леонтьева. 2-е изд. , перераб . и доп . М. : Машиностроение, 1980 . 493 с .
3 . Гиршович Н. Г. Кристаллизация и свойства чугуна в отливках / Н . Г. Гиршович. М. ; Л. : Машиностроение, 1966 . 562 с .
4 . Худокормов Д. Н. Производство отливок из чугуна: учеб . пособ . для вузов / Д. Н . Худокормов . Мн. : Выш. шк . , 1987. 298 с .
5 . Металловедение и термическая обработка стали: справ . В 3-х т. / Под ред. М. Л. Берштейна, А . Г. Рахштадта. 4-е изд. , перераб и доп М : Металлургия, 1991 Т 1 Методы испытаний и исследования
6 . Сандомирский С. Г. Анализ связи коэрцитивной силы с временным сопротивлением углеродистых сталей / С . Г. Сан-домирский // Сталь . 2016 . № 9 . С . 62-65 .
ШГГ-^ г: trt<rnf,rtr№№f. I
-2 (87), 20171
7 . Воронкова Л. В. Определение прочности чугуна ультразвуковым методом / Л. В . Воронкова // Контроль . Диагностика. 2011. № 12 .С .62-64.
References
1. Bolohvitinov N. F., Bolohvitinova E. N. Atlas makro- i mikrostruktur metallov i splavov [The atlas macro- and microstructures of metals and alloys] . Moscow, MAShGIZ Publ . , 1959 . 88 p.
2 . Lahtin Ju. M., Leont'eva V. P. Materialovedenie: Uchebnikdlja mashinostroitel'nyh vuzov [Materials science: The textbook for machine-building higher education institutions] . Moscow, Mashinostroenie Publ . , 1980, 493 p .
3 . Girshovich N. G. Kristallizacija i svojstva chuguna v otlivkah [Crystallization and properties of cast iron in castings] . Moscow, Mashinostroenie Publ . , 1966 . 562 p .
4 . Hudokormov D. N. Proizvodstvo otlivok iz chuguna [Production of castings from cast iron] . Minsk, Vyshjejshaja shkola Publ . , 1987 298 p
5 . Bershtejn M. L., Rahshtadt A. G. Metallovedenie i termicheskaja obrabotka stali [The metallurgical science and heat treatment became], Moscow, Metallurgija Publ . , 1991.
6 . Sandomirskij S. G. Analiz svjazi kojercitivnoj sily s vremennym soprotivleniem uglerodistyh stalej [The analysis of communication of coercive force with a temporary resistance carbonaceous staly], Stal' = Steel, 2016, no . 9, pp . 62-65 .
7 . Voronkova L. V. Opredelenie prochnosti chuguna ul'trazvukovym metodom [Determination of durability of cast iron by an ultrasonic method], Kontrol'. Diagnostika = Control. Diagnostics, 2011, no . 12, pp . 62-64.
45
