Чугуны СЧ и ВЧ: марки по ГОСТ 1412 и 7293, аналоги EN-GJL и EN-GJS, сварка и механообработка

Три вида чугуна и форма графита

Чугун — сплав железа с углеродом, где заметная часть углерода выделяется в виде графита. От формы этих включений зависят почти все механические свойства. EN 1561 прямо указывает: свойства серого чугуна определяются формой и распределением графита и структурой металлической основы.

По классификации Sandvik Coromant:

• Серый чугун — графит в виде пластинок. Низкая ударная вязкость, хрупкое поведение, зато хорошее демпфирование и теплопроводность.
• Высокопрочный (с шаровидным графитом) — графит в виде шариков. Высокая ударная вязкость и прочность при растяжении.
• Ковкий — получают из отливки с белой структурой, почти без свободного графита, двухступенчатой термообработкой. Графит в нём — так называемый углерод отжига (ГОСТ 1215-79).

Белый чугун — тот, где углерод связан в цементит. Sandvik Coromant отмечает, что он очень абразивен и трудно обрабатывается. Такие участки — отбел — образуются при быстром охлаждении отливки.

Серый чугун СЧ по ГОСТ 1412-85

ГОСТ 1412-85 (действует) устанавливает марки СЧ10, СЧ15, СЧ20, СЧ25, СЧ30 и СЧ35, по требованию потребителя — СЧ18, СЧ21 и СЧ24. Буквы СЧ — серый чугун, число — минимальное временное сопротивление при растяжении в МПа·10⁻¹. Для СЧ10 его определяют только по требованию потребителя.

Стандарт допускает превышение минимального значения не более чем на 100 МПа, если документация на отливку не ограничивает иное. То есть СЧ20 — это 200–300 МПа на образце, а не «чем прочнее, тем лучше».

Марочное значение получают на отдельно отлитой заготовке диаметром 30 мм. Деталь остывает с другой скоростью, поэтому в справочном приложении 1 стандарт показывает, какая прочность будет в стенках разной толщины. Приближённо марке соответствует стенка 15 мм.

Тонкая стенка остывает быстро и получается прочнее и твёрже: по тому же приложению у СЧ20 в стенке 4 мм — 255 HB, в стенке 150 мм — 143 HB. Для конструктора вывод простой: прочность массивной станины из СЧ20 считают не по 200 МПа, а по значению для её толщины. Плотность серого чугуна, по приложению 2, растёт с маркой: от 6,8 г/см³ у СЧ10 до 7,4 г/см³ у СЧ35, у СЧ20 — 7,1 г/см³.

Высокопрочный ВЧ по ГОСТ 7293-85 и ковкий КЧ

ГОСТ 7293-85 (действует) задаёт марки от ВЧ35 до ВЧ100. Число — тоже минимальный предел прочности в МПа·10⁻¹, но нормируются ещё предел текучести, удлинение и твёрдость.

Закономерность видна по таблице: чем выше прочность, тем меньше удлинение. ВЧ35–ВЧ45 выбирают, когда нужна пластичность и стойкость к ударам, ВЧ60 и выше — когда важнее прочность и износостойкость.

Ковкий чугун по ГОСТ 1215-79 обозначают двумя числами: КЧ 30-6 — предел прочности 30 кгс/мм² (294 МПа) и удлинение 6 %. Марки КЧ 30-6 … КЧ 37-12 относятся к ферритному классу, КЧ 45-7 … КЧ 80-1,5 — к перлитному.

Аналоги EN-GJL и EN-GJS

Европейские стандарты построены по тому же принципу. В EN 1561 марка серого чугуна EN-GJL-200 означает минимальный предел прочности 200 МПа, в EN 1563 марка EN-GJS-400-15 — предел прочности 400 МПа и удлинение 15 %. Буква C в конце обозначения говорит, что образцы вырезаны из отливки.

Соответствие — по принципу обозначения, а не полная равнозначность. EN 1561:2011 привязывает марку к образцу, диаметр которого соответствует толщине стенки отливки, а для стенок 50–200 мм — к приливным образцам. EN 1563 задаёт марку по образцам толщиной или диаметром 25 мм, а для более толстых стенок приводит сниженные нормы. Поэтому при одинаковых цифрах в марке требования к конкретной отливке могут различаться — для ответственной детали сверяют нормы обоих стандартов для своей толщины стенки. Описание EN 1561 здесь — по редакции 2011 года; при заказе по EN уточняйте действующую редакцию стандарта.

Сварка: почему трудно и как делают

Чугун содержит много углерода, а графит в сером чугуне делает его хрупким. При сварке металл у шва быстро остывает и становится твёрдым и хрупким, а усадка шва при низкой пластичности основы даёт трещины. Поэтому чугун не варят «как сталь», а ремонтируют по отдельной технологии.

Типовое решение — электроды на никелевой основе класса ENi-CI по AWS A5.15. ESAB описывает свой OK 92.18 как электрод для серого, высокопрочного и ковкого чугуна и для соединения их со сталью; наплавка хорошо обрабатывается резанием, твёрдость 130–170 HB. Lincoln Electric выпускает аналогичный Softweld 99Ni — для ремонта мелких литейных дефектов и наплавок, которые потом обрабатывают.

Рекомендации ESAB к OK 92.18:

• удалить грязь, литейную корку, краску, масло; пропитанные маслом детали прогреть около 1 ч при ~450 °C или обработать паром;
• разделка шире, чем для стали: около 70° для V-образной, 30° для U-образной; острые углы скруглить;
• концы трещины засверлить, трещину полностью раскрыть;
• в большинстве случаев можно варить без подогрева, но подогрев и межваликовая температура около 250 °C бывают полезны;
• малый ток, короткая дуга, ниточные валики не длиннее 50 мм;
• проковывать шов сразу, пока он тёмно-красный;
• остужать медленно — в опилках, вермикулите или печи.

Общее сравнение способов дуговой сварки — в статье «MIG/MAG, TIG и MMA».

Механообработка: группа ISO K

В классификации Sandvik Coromant чугуны — группа ISO K: ковкий (K1), серый (K2), высокопрочный (K3), с вермикулярным графитом (K4) и аустенизированный ВЧ (K5). Удельная сила резания, по данным Sandvik Coromant, — 790–1350 Н/мм².

Что учитывать технологу:

• Стружка короткая, стружкодробление обычно не проблема. Исключение — ВЧ: Sandvik Coromant отмечает у него склонность к наросту на кромке.
• Абразивный износ. Чугуны содержат карбид кремния, а литейная корка — пригар песка, поэтому применяют сплавы с толстым покрытием оксида алюминия и прочные негативные пластины.
• Без СОЖ. Чугун традиционно обрабатывают всухую; охлаждение применяют в основном чтобы связать пыль графита и железа. При сухой обработке пыль удаляют аспирацией.
• Твёрдость серого и ковкого чугуна по Sandvik Coromant — 200–250 HB; у ВЧ по ГОСТ 7293-85 она зависит от марки — от 140 до 360 HB. Режимы подбирают по фактической твёрдости отливки — например, в калькуляторе режимов резания.

Где применяют

Серый чугун хорошо гасит вибрации и отводит тепло, легко льётся в сложные формы. Sandvik Coromant среди типовых деталей из него называет блоки цилиндров, цилиндры компрессоров, шестерни и корпуса коробок передач. В станкостроении из серого чугуна традиционно льют станины и корпуса. EN 1561 отмечает, что наилучшие демпфирование и теплопроводность — у самой низкой марки EN-GJL-100.

Высокопрочный чугун идёт туда, где есть удары и растяжение: по Sandvik Coromant — ступицы, коленчатые валы, корпуса дифференциалов, крышки подшипников, выпускные коллекторы. Вермикулярный чугун применяют для блоков и головок цилиндров и тормозных дисков, где нужен материал легче и прочнее.

Если отливка не подходит по срокам или партии, альтернативой бывает сварная конструкция из стали — о выборе марки для неё в статье «Как выбрать сталь под задачу».