чугун - конструкционный материал
Как уже говорилось, популярность чугуна как конструкционного материала во многом обусловлена его высокой износостойкостью. Обладая широким диапазоном сочетания структурных составляющих, чугуны могут быть износостойкими в различных условиях трения: при трении скольжения со смазкой, при полусухом трении, под воздействием абразивной среды, при повышенных температурах и т. п.
Не только специальные износостойкие чугуны, но и обычный серый чугун по износостойкости успешно конкурирует с другими сплавами. Кроме того, он обладает меньшей склонностью к задирам при трении скольжения. Такое высокое свойство чугуна обусловлено той «порчей» его структуры, о которой говорилось в начале книги,— наличием графитных включений, своеобразных «копилок» для смазки, порой выполняющих роль последней. Только за счет изменения их размеров и формы износостойкость чугуна можно повысить в несколько раз. Этого же можно достигнуть за счет улучшения его внутреннего строения легированием или обработкой в жидком состоянии различными добавками.
Специально изготавливаемый для деталей трения чугун служит также прекрасным антифрикционным сплавом, приближающимся по этому свойству к антифрикционным сплавам на медной основе. Например, антифрикционный чугун, микролегированный бором,— незаменимый материал для деталей, работающих с большими скоростями трения в коррозионной среде, например для компрессоров кондиционеров. Микролегирование титаном не только повышает износостойкость и коррозионную стойкость чугуна, но и заметно улучшает их обрабатываемость.
В связи с широким внедрением специальных способов литья, а также дефицитом вольфрама, молибдена, никеля и других легирующих элементов усугубляется проблема изыскания новых термически выносливых материалов. При небольших тепловых нагружениях изделий экономически выгодно применять для их изготовления обычный чугун. Для работы при температуре порядка 600 °С хорошо зарекомендовали себя высокопрочные чугуны с шаровидным и вермикулярным графитом, обычные и легированные. Можно уверенно утверждать, что и в будущем как материал с высокими термостойкостью и термической выносливостью чугун найдет широкое применение.
Издавна известно такое свойство чугуна, как хорошая способность сопротивляться сжимающим нагрузкам. Новые высококачественные чугуны, обладающие достаточными пластичностью и вязкостью, не утрачивают этого качества.
Большинство деталей современных машин работает в условиях значительных повторно-переменных нагружений, что требует хорошей выносливости, ибо сплавы, как и человек, устают. Пожалуй, нет сплава, который бы работал в условиях повторно-переменных нагрузок более надежно, чем чугун. Особенно в выгодном свете предстает чугун, если сравнивать его со сталью, даже в том случае, когда его предел выносливости ниже, чем у стали. Дело в том, что чугун и в нагруженных изделиях сохраняет свою, пусть сравнительно невысокую выносливость. Выносливость же стальных деталей, работающих в условиях повторно-переменных нагрузок, по разным причинам может снижаться в несколько раз.
Интересна, например, история появления чугунных валов двигателей и других машин. С увеличением скоростей и нагрузок в двигателях возникла проблема подбора надежного материала для их коленчатых валов. Попытки решить эту проблему за счет применения высокопрочных сталей не дали обнадеживающих результатов: выносливость стальных валов не увеличивалась пропорционально росту прочности и выносливости стали.
Это можно проиллюстрировать следующим примером. Легированная сталь, обладающая временным сопротивлением при растяжении порядка 1200 МПа, теоретически должна иметь предел выносливости около 700 МПа. Однако в изготовленном из такой стали коленчатом валу в зависимости от целого ряда причин она может колебаться в пределах от 700 до 70 МПа.
Если сравнить выносливость обычного чугуна с пределом прочности, равным 210 МПа, и теоретическую выносливость стали, то она окажется в 6—8 раз меньше: предел выносливости такого чугуна составит около 90 МПа, но останется таким же и в реальной детали.
Представим себе, что в коленчатом валу возникают напряжения, равные 80 МПа. Тогда окажется, что чугун, а не сталь обеспечит надежную работу детали; у стальных валов может быть или весьма высокий запас выносливости, или выносливость может быть ниже допустимой, и стальной вал будет менее надежным, чем вал из обычного чугуна.
Это объясняется тем, что на выносливость чугунных деталей не влияют ни технологические, ни конструктивные факторы; чугун не боится надрезов и нарушений однородности структур, имеет высокую циклическую вязкость.
Для многих деталей машин и изделий важны не только физические и механические, но и химические свойства. Для эффективной службы в условиях агрессивных сред такие детали изготовляют из специальных сталей (нержавеющей, жаростойкой и др.) или из сплавов цветных металлов.
Однако в ряде случаев надежным конкурентом сталей и других сплавов может быть чугун. Для работы в особо агрессивных условиях применяют специальные кислото- и щелочеупорные чугуны. Их коррозионная стойкость выше, чем у специальных сталей.
Здесь рассмотрены лишь некоторые свойства чугуна (частично о других упоминалось в предыдущих разделах), но и они дают основание считать его важнейшим литым конструкционным материалом, который может успешно соперничать со сталью и другими сплавами не только своей дешевизной и доступностью, но и более надежной службой.
|