Высокопрочный или серый чугун: какую марку выбрать для отливки
Почему серый чугун демпфирует, а высокопрочный почти нет, что на самом деле гарантируют марки EN-GJL и EN-GJS и какая из них подходит для станины станка.
Когда станину решено отливать, следующий вопрос: из какого чугуна. Честный ответ таков: серый чугун является выбором по умолчанию по причине, которую многие могут назвать приблизительно и немногие точно.
Различие в форме графита
Оба материала представляют собой железо с несколькими процентами углерода, и в обоих углерод выделяется из раствора в виде графита, а не остается связанным. Различается форма, которую он принимает.
В сером чугуне графит образует пластинки. Эти пластинки по сути являются внутренними трещинами: они прерывают металлическую матрицу, поэтому материал сравнительно слаб на растяжение, а отливка из серого чугуна ломается с серым зернистым изломом, а не изгибается.
В высокопрочном чугуне обработка магнием заставляет графит принимать форму шаров. Шары прерывают матрицу гораздо меньше, поэтому материал сохраняет значительную часть вязкости стали и перед разрушением течет и удлиняется.
Все остальное вытекает из этого единственного различия.
Почему более слабый материал обычно правильный
Пластинки, которые губят прочность на растяжение, образуют и огромную площадь внутренних границ раздела, а именно на границах раздела колебания превращаются в тепло. Серый чугун демпфирует, и демпфирует потому, что полон плоских графитовых несплошностей. Высокопрочный чугун, променявший их на вязкость, демпфирует заметно хуже.
Станине редко нужна прочность на растяжение. Конструкция работает в основном на сжатие и изгиб при умеренных напряжениях. Нужно, чтобы станок перестал «звенеть». Поэтому материал, который инженеры называют слабым и хрупким, и есть тот, что здесь нужен, а более вязкая марка является компромиссом.
Поэтому же замена одного на другой является настоящим инженерным изменением. Станок, который с серым чугуном был на грани по вибрациям, с высокопрочным может стать неприемлемым.
Как читать обозначения марок
Европейская практика по EN 1561 и EN 1563:
- EN-GJL-xxx означает серый чугун с пластинчатым графитом (L от «lamellar»). EN-GJL-200, 250, 300.
- EN-GJS-xxx-y означает высокопрочный чугун с шаровидным графитом (S от «spheroidal»). EN-GJS-400-15, 500-7, 600-3.
Число означает минимальный предел прочности на растяжение в МПа. У высокопрочного чугуна второе число означает минимальное относительное удлинение в процентах, ради которого эта марка и существует. Старые немецкие обозначения, GG25 для EN-GJL-250 и GGG40 для EN-GJS-400-15, по-прежнему в ходу, и Вы будете встречать их на чертежах.
Грубо говоря, EN-GJL-250 / GG25 является рабочей лошадкой для станин: перлитная матрица с мелким пластинчатым графитом дает достаточные прочность и твердость, сохраняя демпфирование и отличную обрабатываемость, которые нужны станине.
Ловушка: прочность зависит от сечения
Вот что подводит на тяжелых отливках.
Число в обозначении марки измеряется на отдельно отлитом образце определенного размера по EN 1561. Ваша станина не является образцом. Толстое сечение остывает медленно, графит укрупняется, и прочность и твердость получаются ниже, чем показывает образец.
На станине со стенками 60 мм прочность в стенке будет заметно ниже минимума для марки. Это нормально, ожидаемо, учтено в стандарте и не является дефектом. Но это означает:
- Указывайте марку и определяющую толщину сечения.
- Согласуйте, откуда берется материал для испытаний: отдельно отлитый образец, прилитой образец или вырезка из самой отливки. Они дают разные значения, и разница немалая.
- Если для обработки или изнашиваемой поверхности важен диапазон твердости, укажите его отдельно и укажите, где он измеряется.
Если этого не сделать, на приемке возникнет спор, в котором обе стороны правильно читают один и тот же стандарт.
Где высокопрочный чугун действительно уместен
Не каждая деталь станка является станиной. Высокопрочный чугун подходит, когда:
- Деталь испытывает удары или толчки либо циклическую растягивающую нагрузку.
- Разрушение было бы опасным, и Вам нужна пластическая деформация, а не хрупкий излом.
- Сечение тонкое и сильно нагружено.
- Это кронштейн, рычаг, корпус или стойка, а не демпфирующая конструкция.
В прессах, дробилках и всем, где нагрузка резко меняет знак, высокопрочный чугун часто используют именно по этим причинам.
Что указать на чертеже отливки
- Марку по EN 1561 или EN 1563, с эквивалентным старым обозначением, если его использует Ваш цех.
- Определяющую толщину сечения.
- Откуда берется материал для испытаний и какие свойства являются критериями приемки.
- Диапазон твердости и место измерения, если это важно.
- Требуемый неразрушающий контроль и класс приемки.
- Допускается ли ремонт отливки и каким методом.
- Старение или снятие напряжений перед обработкой и нужна ли диаграмма.
Последний пункт на прецизионной станине не является необязательным. Отливка неравномерно остывает в форме и несет остаточные напряжения; черновая обработка их высвобождает, и деталь ведет. Прочитайте вместе с этой статьей дефекты отливок и что отбраковывать и статью о снятии напряжений и плоскостности.
Частые вопросы
Почему для станин используют серый чугун, а не более прочный высокопрочный?
Потому что графит, который делает серый чугун слабым, делает его и демпфирующим. Пластинчатый графит прерывает металлическую матрицу и рассеивает колебания; шаровидный графит высокопрочного чугуна прерывает ее гораздо меньше, и именно поэтому высокопрочный чугун вязче. Для станины демпфирование обычно важнее прочности на растяжение, поэтому более слабый материал и является правильным выбором.
Что означает 250 в обозначении EN-GJL-250?
Минимальный предел прочности на растяжение 250 МПа на отдельно отлитом образце по EN 1561. Это гарантированный нижний предел, а не описание Вашей отливки: прочность в толстом сечении реальной детали будет ниже, чем у образца, потому что скорость охлаждения другая. Указывайте марку вместе с толщиной сечения и согласуйте, откуда берется образец для испытаний.
Можно ли перейти на высокопрочный чугун, если литейный завод не льет серый?
Только после повторной проверки динамики станка. Вы выигрываете в прочности и вязкости и теряете в демпфировании, поэтому станок, который был на грани по вибрациям, может стать неприемлемым. Это настоящее инженерное изменение, а не замена материала, которую можно пропустить в заказе на закупку.
Нужно рассчитать станину? Отправьте чертеж, и мы подберем для него до трех производителей во Вьетнаме. Бесплатно для заказчиков, ответ в течение 24 рабочих часов.