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.