Набережночелнинский институт Казанского (Приволжского) федерального университета, Набережные Челны, Татарстан, Россия:

А. Г. Панов, профессор кафедры «Материалы, технологии и качество», докт. техн. наук доцент, эл. почта: panov.ag@mail.ru
И. Ф. Шаехова, старший преподаватель кафедры «Материалы, технологии и качество», эл. почта: irrra1603@yandex.ru

ПАО «КАМАЗ», Набережные Челны, Татарстан, Россия:

Д. А. Гуртовой, главный металлург, канд. техн. наук, эл. почта: gurtovoyda@mail.ru

Статья посвящена проблеме внедрения новых чугунов в области машиностроения, а именно: чугуна с вермикулярным графитом (ЧВГ) для изготовления деталей двигателей, работающих в условиях термомеханического нагружения. Приводятся результаты анализа современной ситуации с применением ЧВГ. Показано, что серийное производство изделий машиностроения в мире началось сравнительно недавно благодаря разработке надежной технологии модифицирования чугуна на вермикулярный графит (ВГ) только к концу XX в. Применение ЧВГ в машиностроении России крайне ограничено преимущественно из-за устаревшей, неточной и даже ошибочной информации о его свойствах. Приводятся данные собственных исследований микроструктуры, теплопроводности и прочности чугуна, полученные с применением современных методов и методик контроля. Показано, что теплопроводность ЧВГ может значительно отличаться в пределах марок, регламентированных ГОСТ 28394–89, требующим в настоящее время переработки. У всех исследованных микроструктур ЧВГ теплопроводность в интервале температур от 22 до 300 °C меняется в пределах не более ±5 %. При высокой и неоднородной доле шаровидного графита (ШГ) с ростом температуры она может немного расти, со снижением доли ШГ ее рост замедляется, а начиная с ~200 °C начинает падать. При высокой доле ВГ (более 90 %) теплопроводность начинает падать с ~100 °C, но к 300 °C падение составляет не более 10 %, что значительно меньше падения на этом же температурном интервале теплопроводности ЧПГ более 30 %. Разница теплопроводностей серого чугуна марки СЧ25 и ЧВГ с низкой и средней долей ШГ уже при температуре выше 200 °C становится соразмерной с погрешностью измерения, а при 300 °C практически исчезает. В то же время при наличии большой доли ШГ в структуре ЧВГ его теплопроводность при 300 °C остается существенно ниже теплопроводности чугуна СЧ25, разница составляет ~30 %.

1. Пат. 2485760 USA. Cast Ferrous Alloy / K. Millis, A. Gagnebin, N. Pilling, 1949.
2. Пат. 2485761 USA. Gray Cast Iron Having Improved Properties / K. Millis, A. Gagnebin, N. Pilling, 1949.
3. Шерман А. Д. Чугун : cправ. изд. / под ред. А. Д. Шермана и А. А. Жукова. — М. : Металлургия, 1991. — 576 с.
4. Sintercast. Technical Papers – English: Compacted Graphite Iron – Mechanical and Physical Properties for Engine Design. — [Электронный ресурс] URL: https://sintercast.com/library/technicalpublications/ (дата обращения: 12.03.2020).
5. Доусон С., Панов А. Г., Гумеров И. Ф., Панфилов Э. В., Гуртовой Д. А. и др. Опыт крупносерийного производства высококачественных автомобильных отливок из чугуна с вермикулярной формой графита // Литейщик России. 2018. № 4. С. 8–16.
6. Справочник по чугунному литью : справ. изд. / под ред. Н. Г. Гиршовича. — Л. : Машиностроение, 1978. — 758 с.
7. Доусон С., Панов А. Г., Гуртовой Д. А., Аникин С. А. Технология стабильного получения вермикулярного графита в отливках массового производства // Литейное производство. 2018. № 4. С. 7–12.
8. Panov A. G., Shaekhova I. F., Ryzhkova S. A., Degtyaryova N. G., Ivanova V. A. About computer calculation error of vermicular graphite share in microstructure of CGI // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 915, Iss. 1. 012044.
9. Sintercast. Engineered Propulsion Systems leverages CGI for diesel aviation engine. [Электронный ресурс] URL: https://sintercast.com/library/technical-publicationshttps://www.globenewswire.com/news-release/2015/12/17/796416/0/en/Engineered-Propulsion-Systems-leverages-CGI-for-diesel-aviation-engine.html (дата обращения: 20.02.2021).
10. Королев С. П., Михайловский В. М., Шешко А. Г. Управление формированием структуры чугуна с вермикулярным графитом в отливках сталеразливочных изложниц // Металл и литье Украины. 2014. № 7. С. 14–18.
11. Леушин И. О., Чистяков Д. Г. Формирование графитовой фазы при кристаллизации чугуна, предназначенного для термоциклических нагрузок // Черные металлы. 2016. № 2. С. 23–27.
12. ГОСТ 28394–89. Чугун с вермикулярным графитом для отливок. Марки. — Введ. 01.01.1991.
13. ISO 16112:2017(E) Compacted (vermicular) graphite cast irons — Classification. Second edition. Geneva. 2017.
14. Тринёв А. В., Калантай В. И. Расчетное моделирование оптимального теплового состояния гильзы цилиндра быстроходного дизеля // Двигатели внутреннего сгорания. 2012. № 1. С. 35–40.
15. ГОСТ 3443–87. Отливки из чугуна с различной формой графита. Методы определения структуры. — Введ. 01.07.1988.
16. ГОСТ 1412–85. Чугун с пластинчатым графитом для отливок. Марки. — Введ. 01.01.1987.
17. ГОСТ 1497–84. Металлы. Методы испытаний на растяжение (с Изм. № 1, 2, 3). — Введ. 01.01.1986.
18. Сивкова Т. А., Гусев А. О., Губарев С. В., Бритшева А. В., Самойлова А. Ю., Кадушников Р. М. Особенности контроля микроструктуры графита в чугунах автоматическими методами // Металлургия машиностроения. 2018. № 2. С. 34–38.
19. Методика измерения температуропроводности, теплопроводности, удельной теплоемкости материалов на основе металлов и неметаллов // МВИ № 251.13.17.009-2009. — Екатеринбург : ИМЕТ УрО РАН, 2009. — 18 с.
20. Гиршович Н. Г., Косников Г. А., Носов В. Н. Свойства, технология получения и области применения чугуна с вермикулярным графитом. — Ленинград : ЛДНТП, 1981. — 20 с.
21. Holmgren D. Review of thermal conductivity of cast iron // International Journal of Cast Metals Research. 2005. Vol. 18, Iss. 6. P. 331–345.
22. Wu Y., Li J., Yang Z., Ma Z. et al. Computational assessment of thermal conductivity of compacted graphite cast iron // Advances in Materials Science and Engineering. 2019. Vol. 2019. ID 8562102.
23. Jalava K., Soivio K., Laine J., Orkas J. Elevated temperature thermal conductivities of some as-cast and austempered cast irons // Materials Science and Technology. 2017. Vol. 34, Iss. 3. P. 1–7.
24. Ma Z. J., Wen Q., Gao P. H. et al. Experimental assessment of interfacial contact thermal conductance between graphite and matrix in cast iron // International Journal of Cast Metals Research. 2018. Vol. 31, Iss. 4. P. 230–236.
25. Matsushita T., Saro A. G., Elmquist L., Jarfors A. E. W. On the thermal conductivity of CGI and SGI cast irons // International Journal of Cast Metals Research. 2017. Vol. 31, Iss. 3. P. 135–143.
26. Matsushita T., Ghassemali E., Saro A., Elmquist L., Jarfors A. On thermal expansion and density of CGI and SGI cast irons // Metals. 2015. Vol. 5, Iss. 2. P. 1000–1019.