13.Белые чугуны, их структура, свойства, применение.

Виды выпускаемого белого чугуна

В зависимости кристаллической структуры, а так же наличия и соотношения составляющих элементов белые чугуны подразделяют на:

• обыкновенный;
• легированный;
• жаропрочный;
• нержавеющий.

Отдельным видом выделяют чугунные сплавы с высоким удельным электрическим сопротивлением.

Внутренняя структура обыкновенного белого чугуна содержит углерод в виде цементитных зерен. Количество углерода влияет на температуру плавления и в зависимости от этого чугуны подразделяют на:

1. доэвтектические с более низкой температурой плавления, углерода не боле 4,3%;
2. эвтектический с содержанием углерода 4,3%;
3. заэвтектические — более 4,35% и может достигать — 6,3%.

Эффекта отбеливания чугуна достигают путем быстрого охлаждения отливки, которая в результате получается неоднородной по своему составу. Верхний слой, толщиной до 30 мм, становится белым, а остальная сердцевина представляет собой обычный серый чугун.

Учебные материалы

Чугун — это сплав железа с углеродом, в котором содержание углерода больше 2,14 %.

Кроме углерода и железа, в сплаве присутствуют примеси: кремний, марганец, фосфор, сера и др. Эти примеси оказывают существенное влияние на формирование структуры сплава, а следовательно, и на механические, физические и другие свойства чугуна.

В зависимости от того, в какой форме присутствует углерод в сплавах, различают белые, серые, ковкие и высокопрочные чугуны. По химическому составу чугун делится на углеродистый и легированный.

Белыми

называют чугуны в которых углерод находится преимущественно в связанном состоянии в виде цементита Fe3С (очень небольшое количество углерода находится в составе твердого раствора). Эти чугуны, фазовые превращения которых протекают согласно диаграмме Fe-С, подразделяются на доэвтектические, эвтектический и заэвтектические. Из-за большого количества цементита белые чугуны имеют высокую твердость 450…550 НВ, хрупкие и практически не поддаются обработке резанием, поэтому в качестве конструкционных материалов практически не применяются. Их можно применять для деталей, от которых требуется высокая износостойкость поверхности. Например, изготавливают шары шаровой мельницы для размола руды и минералов.

Белые чугуны являются передельными и из них получают сталь и ковкий чугун.

Серыми

называют чугуны, в которых углерод находится преимущественно в свободном состоянии в виде пластинок графита. Графит образуется при очень малой скорости охлаждения, когда степень переохлаждения жидкой фазы невелика. Он растет из одного центра и, разветвляясь в разные стороны, приобретает форму сильно искривленных лепестков. В плоскости шлифа графит имеет вид прямолинейных или завихренных пластинок, которые представляют собой сечения графитных лепестков. В изломе эти чугуны имеют серый цвет. Механические свойства чугуна обусловлены его структурой, главным образом графитной составляющей, его количеством, формой и размерами включений.

Графит имеет низкую прочность, и его можно рассматривать как внутренние надрезы, нарушения сплошности металлической основы. С увеличением содержания углерода больше выделений графита и меньше механическая прочность чугуна. Серый чугун плохо сопротивляется растяжению, хрупкий, но обладает хорошей жидкотекучестью, малой усадкой при кристаллизации, легко обрабатывается резанием, хорошими антифрикционными свойствами (графит выполняет роль смазки), поглощает вибрацию, малочувствителен к концентраторам напряжений (надрезам, выточкам).

Удельный вес серого чугуна колеблется в пределах 6,6…7,4 г/см3 и зависит от количества углерода, степени графитизации и количественного соотношения структурных составляющих.

Теплоемкость серого чугуна также зависит от вышеперечисленных факторов и в интервале температур 0…700 0С равна 16 кал/(г∙0С). Теплопроводность равна 0,16 кал/(см∙с∙0С). Средний коэффициент линейного термического расширения в интервале температур 0…100 0С можно принять (10…11)∙106 см/(см∙0С), а в интервале температур 100…700 0С он равен 14∙106 см/(см∙0С).

Основными элементами в чугунах являются Fe-C-Si и постоянными примесями — Мn, Р, S. Кремний обладает сильным графитизирующим действием, марганец затрудняет графитизацию. Сера является вредной примесью, ухудшает литейные и механические свойства чугунов.

Фосфор является в чугунах полезной примесью, так как улучшает жидкотекучесть. Участки фосфидной эвтектики увеличивают твердость и износостойкость чугуна. Чаще всего содержание фосфора находится в пределах 0,2…0,5 %. Для отливок, от которых требуется высокая износостойкость, содержание фосфора допускается 0,7 %, а для художественного литья — до 1 %.

Наглядное представление о влиянии углерода и кремния на степень графитизации чугуна и его структуру дает структурная диаграмма (толщина стенки отливки 50 мм), приведенная на рисунок 37.

I- белый чугун; II- половинчатый чугун; III- серый чугун на перлитной основе; IV- серый чугун на ферритно-перлитной основе; V- серый чугун на ферритной основе

Рисунок 37 — Структурная диаграмма

Серый чугун маркируется буквами СЧ, после которых ставится число, показывающее гарантируемый предел прочности на растяжение в кгс/мм2

(10-1 МПа).

Ферритные чугуны

марок СЧ10, СЧ15, СЧ18 применяются для малоответственных деталей, испытывающих небольшие нагрузки. Например, фундаментные плиты, крышки, фланцы, рамы двигателей, компрессоров, шиберы и заслонки печей, корпусы фильтров и масленок, маховики, корпуса редукторов, насосов, тормозные барабаны, диски сцепления и др. Структура серых чугунов приведена на рисунок 38.

Феррито-перлитные чугуны

марок СЧ20, СЧ21, СЧ25 применяются для деталей, работающих при повышенных статических и динамических нагрузках. Например, головки цилиндров, поршни, втулки для поршневых колец паровых цилиндров, колеса центробежных насосов, станины станков, зубчатые колеса, диафрагмы, цилиндры низкого давления и выхлопные патрубки турбин.

а- на ферритной основе; б- на ферритно -перлитной основе;

в- на перлитной основе

Рисунок 38 — Структура серых чугунов

Перлитные чугуны

марок СЧ30, СЧ35, СЧ40, СЧ45 применяют для деталей, работающих при высоких нагрузках или в тяжелых условиях износа: зубчатые колеса, гильзы блоков цилиндров, распределительные валы и др. Мелкие разобщенные графитовые включения меньше снижают прочность чугунов. Измельчение графитовых включений достигается путем модифицирования жидкого чугуна ферросилицием, алюминием или феррокальцием (0,3…0,6 % от массы шихты). Отливки из серого чугуна подвергают термической обработке: для снятия внутренних напряжений — отжиг I рода (560 0С), нормализацию или закалку с отпуском для повышения механических свойств и износостойкости. Для повышения износостойкости гильз цилиндров, распределительных валов и других изделий перлитные чугуны подвергают азотированию.

Ковкими

называют чугуны, в которых углерод находится в свободном состоянии в форме хлопьев. Такая форма графита и является основной причиной высоких прочностных и пластических характеристик ковкого чугуна. Термин ”ковкий чугун” является условным, поскольку изделия из него, так же как и из любого другого чугуна, изготавливают не ковкой, а путем литья, и указывает на повышенную пластичность по сравнению с серым чугуном. Состав ковкого чугуна выдерживается в довольно узких пределах: 2,4…2,9 % С; 1,0…1,6 % Si; 0,2…1,0 % Мn; до 0,18 % Р и до 0,2 % S.

Невысокое содержание углерода в ковком чугуне необходимо по двум причинам. Во-первых, для получения высоких прочностных характеристик следует уменьшить количество графитовых включений. Во-вторых, необходимо избегать выделения пластинчатого графита при охлаждении отливок в форме (с этой же целью толщина стенки отливки не должна превышать 50 мм).

Ковкий чугун получают из белого путем отжига, который продолжается иногда до 5 суток. По структуре металлической основы (рисунок 39), которая определяется режимом отжига, ковкие чугуны бывают ферритными и перлитными.

Отжиг на ферритные чугуны проводится по режиму 1 (рисунок 40), обеспечивающему графитизацию всех видов цемента белого чугуна.

а – ферритного; б – перлитного

Рисунок 39 – Микроструктура ковких чугунов

Рисунок 40 – Схема отжига белого чугуна на ковкий

Отливки из белого чугуна загружают в металлические ящики и засыпают песком или стальными стружками для защиты от окисления и медленно нагревают до температуры 950…1000 0С. В процессе продолжительной (10…15 ч) выдержки при такой температуре происходит первая стадия графитизации. Она состоит в распаде эвтектического и избыточного вторичного цементита.

К концу первой стадии чугун состоит из аустенита и включений углерода отжига (А + Г). Затем температуру медленно снижают до 720…740 0С. При этом происходит вторая стадия графитизации.

В процессе выдержки (25…30 ч) распадается цементит перлита:

П(Ф + Ц) -> Ф + Г

и образуется ковкий чугун на ферритной основе.

Перлитный чугун получают отжигом, который проводят в окислительной среде по режиму 2 (см. рис. 40). В этом случае увеличивают продолжительность первой стадии графитизации, после которой проводят непрерывное охлаждение отливок до 20 0С. Аустенит превращается в перлит (А -> П), а графит сохраняется в структуре. Получается ковкий чугун на перлитной основе.

Ковкие чугуны маркируются буквами КЧ, после которых ставятся числа, показывающие гарантируемые предел прочности на растяжение в кгс/мм2

(10-1 МПа) и относительное удлинение в процентах. Марки ковкого чугуна:

• КЧ-30-6; КЧ 35-10; КЧ 37-12 — ферритные;
• КЧ 45-7; КЧ 60-3; КЧ 80-1,5 — перлитные.

Из этих чугунов изготавливают детали высокой прочности, работающие в тяжелых условиях износа, способные воспринимать ударные и знакопеременные нагрузки. Большая плотность отливок ковкого чугуна позволяет изготовлять детали водо- и газопроводных установок, корпуса вентилей, кранов, задвижек.

Высокопрочными

называют чугуны, в которых углерод находится в свободном состоянии в виде шаровидного графита. Их получают модифицированием магнием, который вводят в жидкий чугун в количестве 0,02…0,08 %. Ввиду того, что модифицирование чистым магнием сопровождается значительным пироэффектом, применяют сплав магния с никелем.

Чугун после модифицирования имеет следующий химический состав: 3,0…3,6 % С; 1,1…1,9 % Si;. 0,3…0,7 % Мn;. до 0,02 % S и до 0,1 % P. По структуре металлической основы чугун может быть ферритным или перлитным (рисунок 41).

а- ферритного; б- перлитного

Рисунок 41 — Микроструктура высокопрочных чугунов

Шаровидный графит — менее сильный концентратор напряжений, чем пластинчатый или хлопьевидный графит, и поэтому меньше снижает механические свойства металлической основы. Чугуны обладают высокой прочностью и некоторой пластичностью, сохраняют свою прочность до 500 0С (обычный чугун до 400 0С). Они маркируются буквами ВЧ, после которых ставится число, показывающее гарантируемый предел прочности на растяжение в кгс/мм2 (10-1 МПа). Марки высокопрочного чугуна:

• ВЧ 38; ВЧ 42; ВЧ 50 — ферритные;
• ВЧ 60, ВЧ 80; ВЧ 120 — перлитные.

Высокопрочные чугуны применяют в различных отраслях техники, эффективно заменяя сталь во многих изделиях и конструкциях. Например, корпуса паровых турбин, насосов, вентилей, лопатки направляющего аппарата, коленчатые валы, поршни и другие ответственные детали, работающие при высоких циклических нагрузках и в условиях изнашивания.

В некоторых случаях для улучшения механических свойств применяют термическую обработку отливок; для повышения прочности — закалку и отпуск при 500…600 0С; для увеличения пластичности — отжиг.

Недостатком высокопрочного чугуна является значительная объемная усадка, что приводит к появлению в отливках усадочной пористости, газовых раковин.

Легированный чугун > Дальше >

Достоинства и недостатки

Как и все чугунные сплавы, белые отличаются большой прочностью в сочетании с хрупкостью при сильных механических ударах. В числе основных положительных качеств белого чугуна следует назвать:

• высокую твердость;
• большое удельное сопротивление;
• износостойкость;
• повышенное сопротивление коррозии.

Важным качеством белых чугунов считается очень хорошая устойчивость к воздействию высоких температур, которая используется для снижения количества трещин в первоначальных отливках.

К основным недостаткам относят такие качества, как:

• хрупкость и возможность разрушения при механических воздействиях;
• низкие литейные качества и плохое заполнение форм;
• вероятность образования внутренних трещин при отливке;
• сложная и некачественная механическая обработка.

Образование дефектов при сваривании из-за быстрого выгорания углерода и образования пор.

Область применения

Обыкновенный белый чугун используют весьма ограниченно, поскольку он плохо применим к механической и термической обработке. Для производства изделий он часто применяется в виде необработанных или частично обработанных отливок.

Самое широкое применение сплав получил при изготовлении крупных деталей простой конфигурации. Это корпуса и детали станков и прокатных станов, шары для мельниц, приводные и опорные колеса. Кроме этого белый чугун используют для изготовления узлов агрегатов, которые испытывают на себе постоянное воздействие абразивных материалов.

Важным моментом является использование обычного чугуна в качестве сырья для изготовления ковких сортов железоуглеродистых чугунных и стальных сплавов.

Легирование белого чугуна

Наличие в составе сплава легирующих добавок сильно изменяет его физические свойства, которые значительно расширяют его область применения. В качестве легирующих элементов в металлургии используют очень распространенные вещества.

Для повышения твердости в железоуглеродистый чугунный сплав могут быть добавлены: никель, фосфор, марганец, хром, ванадий, кремний, медь, титан и сера.

В том случае, если количество легирующих добавок примерно равно углеродному содержанию, чугун приобретает предельно возможную твердость.

Износостойкость, как физическая характеристика белого чугуна, рассматривается независимо от его твердости. Ее повышения достигают изменением структуры металла путем добавления карбидов и фосфидов в виде равномерно распределенных включений. Качество отливки деталей напрямую зависит от химического состава сплавов и количества легирующих элементов.

В зависимости от процентного содержания легирующих примесей белый чугун подразделяют на:

• низколегированный до 2,5%;
• среднелегированный до 10%;
• высоколегированный.

Уже готовые отливки из чугуна подвергаются дополнительной температурной обработке (отжигу), в результате которой снимаются внутренние напряжения металла и происходит стабилизация внешних размеров. Температура отжига белого легированного чугуна около 850°C.

Процесс нагрева и охлаждения происходит медленно для исключения образования внутренних трещин и других дефектов.

Легированные чугунные сплавы получили широкое применение в производстве:

• деталей промышленного оборудования и станков;
• узлов и деталей автомобилей, тракторов и сельскохозяйственной техники;
• подвижного железнодорожного состава; труб, насосов, котлов;
• бытовых и хозяйственных изделий.

Это обусловлено улучшенными качествами металлов по сравнению с обычным белым чугуном.

Особенности получения

При получении белого чугуна важно во время кристаллизации расплава исключить процесс графитизации, что делается:

• оптимальным подбором исходных веществ;
• технологией охлаждения сплава в формах.

Степень износостойкости отливок в большей мере определяется природой и составом карбидов. Легирование металла никелем, марганцем и хромом дает мартенситно-карбидную структуру. При их суммарной концентрации, равной содержанию углерода, образуется максимально твердая структура.

Чаще всего в качестве главной легирующей добавки используется хром. Он придает сплаву высокую коррозионную устойчивость, которая сохраняется даже в агрессивных средах. После нормализации эти заготовки устойчивы к действию кислот при температуре до 1000 градусов. Дополнительное легирование никелем (0,1%), титаном (0,5%) и медью (0,5-2,0%) придает деталям способность сохранять геометрическую форму и первоначальные размеры в условиях длительного нагрева.

Нержавеющие сплавы

Для повышения устойчивости белого чугуна к коррозии в него добавляют большое количество хрома. Это приводит к образованию оксидной пленки на поверхности и дальнейшему прекращению доступа кислорода. Кроме этого высокохромистый белый чугун приобретает устойчивость к щелочным растворам, серной и азотной кислоте.

Дополнительно процесс легирования хромом предупреждает возможность коагуляции карбидов при сильном нагреве сплава. Это позволяет получать качественные сварные соединения деталей из белого чугуна. Если в процессе легирования вместе с хромом добавлены никель и молибден, то полученный нержавеющий сплав по прочности можно сравнивать с лучшими жаропрочными сталями, которые намного дороже.

Хромосодержащий белый чугун применяют в случаях тяжелых эксплуатационных условий, присутствия щелочей и окислителей, потребности высокого электросопротивления.

Маркировка

В промышленности разновидности чугуна маркируются следующим образом:

• передельный чугун
  – П1, П2;
• передельный чугун для отливок
  – ПЛ1, ПЛ2,
• передельный фосфористый чугун
  – ПФ1, ПФ2, ПФ3,
• передельный высококачественный чугун
  – ПВК1, ПВК2, ПВК3;
• чугун с пластинчатым графитом (серый чугун
  – СЧ (цифры после букв “СЧ”, обозначают величину временного сопротивления разрыву в кгс/мм2, 1 кгс/мм2 = 10 МПа);
• ковкий чугун
  – КЧ (цифры после букв “КЧ” обозначают величину временного сопротивления разрыву в кгс/мм2 и относительное удлинение в %);
• чугун с шаровидным графитом для отливок (высокопрочный чугун)
  – ВЧ (цифры после букв “ВЧ” обозначают величину временного сопротивления разрыву в кгс/мм2 и относительное удлинение в %);
• антифрикционный чугун
  (серый – АЧС, высокопрочный – АЧВ, ковкий – АЧК);
• чугун легированный со специальными свойствами
  – Ч (буквы после буквы “Ч” обозначают легирующие элементы: Х – хром, С – кремний, Г – марганец, Н – никель, Д – медь, М – молибден, Т – титан, П – фосфор, Ю – алюминий).