Курс лекций по специальным чугунам Область применения отливок из специальных чугунов охватывает практически все отрасли экономики – добычу и обогащение полезных ископаемых

Курс лекций по «специальным чугунам»

 

Введение

Диапазон механических и служебных свойств современных типов и марок чугунов весьма широк. Серый чугун с пластин­чатым графитом имеет прекрасные антифрикционные свойства, износостойкость, высокую демпфирующую способность, низкую чувствительность к концентраторам напряжений и поэтому используются как конструкционный материал.

Специальные белые легированные чугуны имеют высокую твердость и износостойкость при трении в абразивных условиях, и их применение обеспечивает работоспособность нагруженных деталей металлургического, горнодобывающего и размольно-дробильного оборудования. Специальные легированные никеле­вые, хромистые, алюминиевые, кремнистые чугуны предназначены для деталей, работающих при высоких температурах, а также в агрессивных средах. Для деталей сложной конфигурации чугун по технологическим свойствам является в ряде случаев единственным материалом, из которого можно получать детали с требуемыми свойствами экономичными методами литья.

Область применения отливок из специальных чугунов охватывает практически все отрасли экономики – добычу и обогащение полезных ископаемых, металлургию, энергетику, дорожное строительство, производство цемента и других строительных материалов, сельское хозяйство и т.д. Высокая стойкость отливок делает эти чугуны универсальным материалом для широкого использования в выше перечисленных отраслях.

 

 

ГЛАВА 1. КЛАССИФИКАЦИЯ СПЕЦИАЛЬНЫХ ЧУГУНОВ. ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССОВ ИХ ЛЕГИРОВАНИЯ И

ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

 

Классификация специальных чугунов

Специальные чугуны классифицируются по следующим основным признакам: по структуре, по химическому составу, по способу выплавки, по назначению.

1. По структуре специальные чугуны можно классифицировать по следующим признакам:

- по типу металлической матрицы: ферритные, перлитные (рис. 1.1), бейнитные, аустенитные (рис. 1.2, а), перлито-ферритные, мартенситно-аустенитные (рис. 1.2, б), мартенситно-бейнитные (рис. 1.3, а), мартенситно-трооститные (рис. 1.3, б), мартенситно-ферритные, ферритно-аустенитные;

- по состоянию углерода: графитизированные (углерод в виде графита), белые (углерод полностью связан в карбиды), половинчатые (углерод в виде графита и в карбидах); отбеленные (наружний слой отливки из белого чугуна, сердцевина из серого); в свою очередь графитизированные чугуны делятся на:

а) чугуны с пластинчатым графитом или серые чугуны;

б) чугуны с хлопьевидным графитом или ковкие чугуны;

в) чугуны с компактной формой графита или высокопрочные чугуны, которые в свою очередь делятся на чугуны с шаровидным графитом и чугуны с вермикулярным графитом;

- по типу эвтектики: с эвтектикой аустенит (А)+графит (Г), с эвтектикой ледебурит - А+цементит (М3С), с эвтектикой А+карбиды типа M7C3, например, (Fe,Cr)7C3, с эвтектикой А+карбиды типа MC, например, TiC, VC, с эвтектикой А+карбиды типа M7C3 и M23C6, например, (Fe,Cr)7C3 и (Fe,Cr)23C6, с эвтектикой А+M7C3 и MC, например, (Fe,Cr)7C3 (рис. 1.4, а) и VC; также по количеству эвтектик и фаз, образующих ее, чугуны можно классифицировать на чугуны с одной двойной эвтектикой, двумя двойными эвтектиками (А+М3С и А+карбид легирующего элемента (рис. 1.2, а), двойной и тройной эвтектиками (А+МC и А+МC+ М3С (рис. 1.1,б); А+МC и А+МC+ М7С3 (рис. 1.4, б), А+M7C3 и А+МC+ М7С3 (рис. 1.5, а), двумя двойными и тройной эвтектиками (А+М3С, А+М7С3, А+М7С3+МС) и др.;

- по морфологии эвтектики: волокнистая (рис.1.1,а), зернистая (например А+VC) (рис. 1.6,а), скелетовидная А+(W, Fe)6C (рис. 1.5, б), пластинчатая А+TiC (рис. 1.6,б) и др.

2. По химическому составу специальные чугуны можно разделить на:

- нелегированные, состав которых различается содержанием основных элементов (углерода, кремния, марганца);

- низколегированные, суммарное содержание легирующих элементов не превышает 3,5%;

- среднелегированные, суммарное содержание легирующих элементов находится в пределах 3,5-10%;

- высоколегированные с содержанием легирующих элементов более 10%.

Также в зависимости от химического состава чугуны делятся на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические, а по содержанию основного легирующего элемента на хромистые, никелевые, алюминиевые, кремнистые, марганцевые, хромо-марганцевые, хромо-никелевые, хромо-ванадиевые, хромо-никель-марганцевые, хромо-марганец-ванадиевые и др.

3. По способу выплавки чугуны делятся на:

- чугуны, полученные при плавке в вагранке; легированные чугуны в вагранках не выплавляют, редко выплавляют низколегированные;

- чугуны, полученные в электропечах- дуговых и индукционных с кислой и основной футеровкой.

4. По назначению специальные чугуны делятся на:

- коррозионностойкие;

- жаростойкие;

- жаропрочные;

- износостойкие;

- антифрикционные;

- валковые;

- немагнитные и т.п.

 

а б

Рис. 1.1. Микроструктура эвтектического (а) и заэвтектического (б) ванадиевого чугуна

 

а б

Рис. 1.2. Белые чугуны с аустенитной (а) и мартенситно-аустенитной (б) металлической матрицей

 

а б

Рис. 1.3. Белые чугуны с мартенситно-бейнитной (а) и мартенситно-трооститной (б) металлической матрицей

а б

Рис. 1.4. Чугуны с эвтектиками А+M7C3 (а); А+МC и А+МC+ М7С3 (б)

а б

Рис. 1.5. Чугуны с эвтектиками А+M7C3 и А+МC+ М7С3 (а); А+(W, Fe)6C (б)

а б

Рис. 1.6. Чугуны с зернистой А+VC (а) и пластинчатой А+TiC (б)

Особенности легирования

Легирование является одним из методов управления процессами образования структуры и формирования свойств чугуна. Оно позволяет измельчать первичные… Для достижения многих практических целей наиболее эффективно комплексное… В легированных чугунах проявляется особая чувствительность к содержанию в них скрытых примесей, источником которых…

Особенности жидкого состояния

Природа жидкого состояния является одним из наиболее сложных объектов изучения теории агрегатного состояния металлов и сплавов. Среди множества… Межатомные силы, существующие в твёрдых металлах, при переходе в жидкое… При легировании чугунов происходит перераспределение межатомных связей. При этом перераспределение произойдёт в пользу…

Первичные фазы и распределение легирующих элементов в чугунах

Первичной структуре принадлежит решающее влияние в формировании свойств чугунов. Влияние первичной структуры на процесс формирования свойств чугунов… Первичная кристаллизация легированных чугунов может протекать с образованием… Формирование литой структуры легированных чугунов завершается процессами, протекающими в твёрдом состоянии (вторичная…

Особенности термической обработки

Высокая эффективность термической обработки применительно к отливкам из легированных специальных чугунов делает её неотъемлемой частью всего… Основными параметрами указанных видов термической обработки являются… Легирующие элементы, входящие в состав чугуна, изменяют положение критических точек. Это вносит коррективы для…

Изотермическая закалка

В изотермических условиях аустенит, переохлаждённый до температур максимальной устойчивости, распадается на феррит и цементит, но образует при этом… Изотермическая закалка позволяет улучшить механические свойства легированных…

Нормализация

При нормализации легированных чугунов возможности регулирования структуры и свойств отливок существенно расширяются. В зависимости от химического… Как говорилось выше, практически все легирующие элементы повышают устойчивость… Ni → Cr → Mn → W → Mo.

Улучшение

Улучшение отливок из легированных чугунов представляет собой сочетание полной закалки с высоким отпуском. В практике термической обработки легированных чугунов улучшение используют… Особо равномерное распределение карбидной фазы в структуре металлической основы чугунов обеспечивается при отпуске…

ГЛАВА 2. ОТЛИВКИ ИЗ КОРРОЗИОННОСТОЙКИХ ЧУГУНОВ

 

Процессы коррозии в чугуне

Причиной повышенной коррозии отливок из чугуна является образование гальванических пар из его структурных составляющих при контакте с агрессивной… Легированные коррозионностойкие чугуны имеют повышенную коррозионную стойкость… Различают два основных механизма коррозии – химический и электрохимический. При химической коррозии поверхностный слой…

Отливки из хромистых чугунов

 

Влияние химического состава на коррозионную стойкость

Хром относится к самопассивирующимся металлам. При механическом повреждении пассивной плёнки оксидов хрома она легко самопроизвольно… Хром с железом образует ряд твёрдых растворов и интерметаллид FeCr (σ… (Fe, Сr)3C, (Fe, Сr)7C3, (Fe, Сr)23C6. Эти карбиды имеют электрохимический потенциал близкий к потенциалу хромистого…

Марки хромистых коррозионностойких чугунов, их основные свойства, области применения

ГОСТ 7769 – 87 предусматривает три марки высокохромистых чугунов, отличающихся прежде всего содержанием хрома, углерода и кремния (табл. 2.2). Таблица 2.2 Химический состав коррозионностойких чугунов Марка чугуна Содержание элементов, % C …

Отливки из высококремнистых чугунов

Влияние химического состава на структуру и свойства

- γ-фаза – твёрдый раствор кремния в γ- железе (максимальная растворимость кремния в γ- железе достигает 2,15 %); - бα-фаза – твёрдый раствор кремния в α- железе (максимальная… При содержании кремния выше 15,2 % образуется интерметаллид типа FemSin. Интерметаллид Fe3Si2 содержит 25,09 % Si.…

Марки кремнистых коррозионностойких чугунов, их основные свойства, области применения

ГОСТ 7769 – 87 предусматривает пять марок кремнистых чугунов, отличающихся прежде всего содержанием кремния, углерода и тем, что в некоторых марках… Чугуны марок ЧС13, ЧС15, ЧС17 (ферросилиды) имеют структуру, состоящую из…  

ГЛАВА 3. ОТЛИВКИ ИЗ ЖАРОСТОЙКИХ ЧУГУНОВ

 

Общая характеристика

Обычные низколегированные серый, ковкий, высокопрочный чугуны при нагреве в окислительной среде корродируют, а в ре­зультате графитизации… Специальные жаростойкие легированные чугуны значительно меньше подвержены… Согласно ГОСТ 7769 - 82 жаростойкие чугуны должны уве­личивать массу в результате окисления не более 0,5 г/(м2*ч) и…

Отливки из алюминиевых чугунов

Формирование структуры

В системе Fe – Аl - С образуются углеродсодержащие фазы: графит, Fe3AlCx (часто обозначаемая g, К или ε-фаза) и кар­бид алюминия Al4С3. Чугуны, содержащие до 32 % Al имеют две области с со­держанием до 8 и от 18 до… Алюминий снижает также растворимость углерода в g- железе, однако в значительно меньшей степени, чем в жидком…

Марки жаростойких алюминиевых чугунов, их основные свойства, области применения

ГОСТ 7769 - 82 «Чугун легированный для отливок со специ­альными свойствами» предусматривает пять марок чугуна ле­гированного алюминием. Основным…   Таблица 3.1

Отливки из хромистых жаростойких чугунов

Влияние хрома на жаростойкость чугунов

Легирование чугуна малыми добавками хрома (до 4 % Cr) повышает устойчивость эвтектического цементита при нагреве и уменьшает рост чугуна. Повышение… Чугуны с содержанием свыше 4 - 7 % Cr являются белыми. Большая часть хрома… Наиболее существенное повышение жаростойкости хромистых чугунов достигается при содержании в них хрома более 15 %. При…

Марки жаростойких хромистых чугунов, их основные свойства, области применения

Для изготовления жаростойких отливок применяются низко- и высокохромистые чугуны, марки которых приведены в ГОСТ 7769-82 (табл. 3.1). Низкохромистые чугуны марок ЧХ1, ЧХ2, ЧХ3 содержат от 0,4 до 3,0 % Cr и имеют… Чугун с содержанием хрома 0,8 - 1,0 % достаточно ростоустойчив при температурах до 700 °C, а с содержанием хрома 1-2 %…

Отливки из кремнистых чугунов

Влияние кремния на структуру и свойства чугунов

При содержании 5,6 % Si чугун практически имеет однофазную ферритную матрицу и поэтому отличается высокой ростоустойчивостью. Окалиностойкость… По своему воздействию на окалиностойкость и ростоустойчивость чугуна кремний… Первым благоприятным результатом действия высо­ких концентраций кремния на окалиностойкость и ростоустойчивость чугуна…

Марки кремнистых жаростойких чугунов, их основные свойства, области применения

ГОСТ 7769 - 82 предусматривает две марки жаростойкого кремнистого чугуна ЧС5 и ЧС5Ш. Химический состав чугунов марок ЧС5 и ЧС5Ш и механические…   Таблица 3.6

Отливки из комплексно-легированных жаростойких чугунов

Кроме стандартных марок жаростойких чугунов для изготовления жаростойких отливок часто используют комплексно-легированные белые хромистые чугуны,… В частности, для изготовления колосников спекательных тележек и грохотов… Таблица 3.8

ГЛАВА 4. ОТЛИВКИ ИЗ ЖАРОПРОЧНЫХ ЧУГУНОВ

Общая характеристика

К жаропрочным чугунам относятся высоконикелевые чугуны с шаровидным графитом аустенитной или аустенитокарбидной матрицей, обладающие повышенными сопротивлением пол­зучести и пределом длительной прочности. Благодаря высоко­никелевой аустенитной матрице жаропрочные чугуны одновре­менно имеют высокую коррозионную стойкостьво многих жидких и газообразных коррозионных средах, они немагнитные и в широком диапазоне температур не меняют структуру.

Шаровидный графит и вязкая матрица обеспечивают доста­точно высокие механические свойства, а хорошие литейные свойства позволяют получать из таких чугунов сложные фасонные отливки.

Марки жаропрочных чугунов, их основные свойства, области применения

Марки и химический состав жаростойких чугунов приведены в ГОСТ 7769-82. Высоконикелевые чугуны, обладают высокой жаропрочностью, немагнитностью,… Чугуны марок ЧН19Х3Ш и ЧН11Г7Ш прежде всего – жаропрочные, но имеют высокую коррозионную стойкость в щелочах, слабых…

ГЛАВА 5. ОТЛИВКИ ИЗ ИЗНОСОСТОЙКИХ ЧУГУНОВ

 

Процессы абразивного изнашивания

Реальным условиям работы оборудования и инструмента при аб­разивном изнашивании соответствуют различные схемы внешнего си­лового нагружения. Все эти… · царапание (микрорезание) кромками абразивных частиц поверхности материала с… · многократное пластическое оттеснение материала кром­ками абразивных частиц с образованием канавок и валиков…

Влияние химического состава на свойства чугунов

Кремний в износостойких чугунах можно рассматривать как легирующий элемент, распределяющийся при кристаллизации между аустенитом и эвтектическим… Марганец способствует стабилизации аустенита и цементита. С углеродом марганец… Хром является главным легирующим элементом группы белых износостойких чугунов. Он уменьшает растворимость углерода в…

Влияние структуры на износостойкость

Одним из важнейших факторов, определяющих сопротивление металлических сплавов изнашиванию, является их структурное состояние, а также свойства,… Главными структурными составляющими белых износостойких чугунов являются… Высокой изностойкостью обладают отливки из белых чугунов со структурой мартенсита, нестабильного при рабочих нагрузках…

Влияние карбидной фазы

Карбиды цементитного типа в чугуне с содержанием до 7 % Сr образуют жесткий каркас ледебуритной эвтектики. Для та­кого жесткого каркаса карбидов… Увеличение количества карбидов повышает износостойкость белых чугунов, если… Количество карбидов в структуре чугуна тем больше, чем выше содержание углерода. Тип образующихся карбидов…

Влияние металлической основы

Высокая износостойкость определяется также металлической основой, в которой закреплены карбиды. В настоящее время нет единого мнения, какой должна быть металлическая матрица.… Особенно высокое сопротивление разрушению оказывают сплавы с нестабильной аустенитно-мартенситной основой, когда…

Влияние термической обработки

Повысить механические свойства и износостойкость чугуна можно путем термической обработки. Высокая абразивная износостойкость белых чугунов… Получить мартенситную структуру метал­лической основы благополучно в литом… Для гарантированного получения мартенситной и мартенсито-аустенитной структуры износостойкие чугуны подвергают…

Марки износостойких чугунов, их основные свойства, области применения

ГОСТ 7769-82 «Чугун легированный для отливок со специальными свойствами» предусматривает девять марок белых износостойких чугунов: низколегированный… Прочность белых износостойких чугунов, как правило, не явля­ется сдаточной… В ледебурите низкохромистых чугунов матрицей эвтектики является цементит и поэтому они имеют более низкую проч­ность,…

Комплексно-легированные белые износостойкие чугуны

Чугунами с инвертированной структурой являются ванадиевые, хромованадиевые и комплексно-легированные высокохромистые чугуны. Их химический состав и… Структура данных чугунов состоит из аустенита и продуктов его распада,… Например, в чугуне марки ИЧ300Х16Ф8 присутствуют сложные карбиды переменного состава (Fe,Cr,V)xCy, содержащие 26,0 –…

ГЛАВА 6. ОТЛИВКИ ИЗ АНТИФРИКЦИОННЫХ ЧУГУНОВ

Общая характеристика

Антифрикционные чугуны (ГОСТ 1585 - 85), содержащие в структуре включения пластинчатого, компактного и шаровид­ного графита, достаточно полно… Основными преимуществами антифрикционных чугунов в сравнении сцветными…

Марки антифрикционных чугунов, их основные свойства, области применения

Чугуны марок АЧС-1 - АЧС-6 - серые, с пластинчатым гра­фитом и различной структурой матрицы. Чугуны марок АЧС-1 - АЧС-4 имеют преимущественно пер­литную структуру… Чугун марки АЧС-5 содержит 7,5 - 12,5 % марганца и имеет аустенитную металлическую основу с включениями пластинча­того…

ГЛАВА 7. ЧУГУНЫ ДЛЯ ОТЛИВКИ ВАЛКОВ

 

Классификация валков

 

Все валки в промышленности принято делить на две группы: металлургические и не металлургические. Первые - для прокатки металлов, а вторые - подразделяют на группы по названиям тех материалов, которые на них обрабатывают.

В зависимости от назначения валки изготовляют двух типов: листопрокатные (Л) для прокатки листов любой толщины, как из черных, так и цветных металлов и сортопрокатные (С) для прокатки всех видов сорто­вого металла, включая рельсы и широкополочные балки. К этой же группе относятся валки для прокатки труб (Т). Деление валков на типы также ус­ловно, так как валки типа Л в некоторых случаях можно использовать в сортопрокатных станах и наоборот.

Так же металлургические валки классифицируют по роду выполняемой работы – на рабочие и опорные; по конструктивным особенностям - с внутренним осевым отверстием или без него, цельнолитые (кованые) или бандажированные (двухслойные); по материалу - чугунные, сталь­ные и твердосплавные, по технологии изготовления - литые, кованые, термически обработанные и необработанные; по классу твердости: чугунные - на мягкие, полутвердые и твердые.

Наиболее часто валки классифицируют следующим образом:

- валки с отбеленным рабочим слоем (СП и ЛП) имеют рабочий (отбеленный) слой, переходный слой, состоящий из половин­чатого чугуна, и сердцевину из серого чугуна. Половинчатым назы­вают чугун, при затвердевании которого часть углерода находится в свободном состоянии в виде графита, а часть в связан­ном в виде карбида. Твердость этих валков находится в пределах 68-70 HSD;

- чугунные легированные валки (СПХН) с карбидо-графито-перлитной структурой и пластинчатым графитом. Они получили широкое применение. Главное их преимущество - достаточно глубокий рабочий слой, обеспечивающий небольшое падение твердости на глубину вреза ручья с учетом необходимых переточек по мере его изнашивания;

- отбеленные хромоникелевые двухслойные валки (ЛПХНд) с высоколегированным отбеленным слоем, прочными сердцевиной, шейками и трефами из нелегированного чугуна. Они имеют высо­котвердый износостойкий отбеленный слой толщиной 12-32 мм, ко­роткую (5-15 мм) переходную зону и прочную сердцевину;

- отбеленные валки из чугуна с шаровидным графитом (ЛШН, СШХН) значительно прочнее валков типа ЛП и СП. В них глубину отбеленного слоя можно доводить до 32 мм, не опасаясь поломок, так как такой чугун (ЧШГ) имеет повышенную прочность (шаровидная форма графита в меньшей степени ослабляет металлическую матрицу валка по сравнению с пластинчатой). Валки отличаются короткой переходной зоной и высокопрочными сердцевиной, шейками и трефами из нелегированного чугуна. Они имеют высокотвердый износостойкий отбеленный слой.

- чугунные высокохромистые валки (более 14% хрома) нашли широкое применение в последние годы. Их высокая износостой­кость обусловлена структурой матрицы, которая состоит из тонко­дисперсного перлита с равномерными включениями карбида хрома. Эти валки используют в основном в чистовых клетях проволочных станов.

Для более полной характеристики валков в конце буквенного обозначения типа валков цифрами указывают нижней предел твердости рабочего слоя валка в единицах Шора, например, ЛПХНд-62, ЛПХНд-70. Такое обозначение широко принято и за рубежом, но некоторые зарубежные фирмы ставят среднее значение твердости, характерное для данного типа валков.

 

Виды валков, их химический состав, свойства и

Применение

Валки с отбеленным рабочим слоем ЛП и ЛПМ. Эти валки имеют рабочий слой из белого чугуна, переходный слой, состоящий из половинчатого чугуна, и… Отбеленный слой обладает высокой твердостью и износостойкостью. Толщина его на… В переходном слое и в сердцевине чугунных валков всегда присутствует большее или меньшее количество графита,…

Химический состав рабочего слоя валков

Валки ЛПХНд-70 имеют высокую твердость, чистый отбел и поэтому их применяют в основном в группе чистовых клетей непрерывных и полунепрерывных… Хром в рабочем слое двухслойных валков способствует образованию твердых… Механические свойства чугуна серой зоны валка: временное сопротивление при разрыве 200-250 МПа, при изгибе 350-450…

Влияние легирующих элементов на свойства рабочего слоя двухслойных валков

Литая структура окончательно формируется в результате про­цессов, протекающих в твердом состоянии: выделение избыточных фаз из твердых растворов,… В легированных чугунах природа высокоуглеродистой фазы на­прямую связана с… В чугунных валках, кроме железа и обычно сопутствующих элементов (углерода, кремния, мар­ганца, фосфора и серы) могут…

ГЛАВА 8. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОТЛИВОК ИЗ СПЕЦИАЛЬНЫХ ЧУГУНОВ

 

Особенности плавки и заливки форм

Плавка чугуна осуществляется при высоких температурах и сопровождается сложными физико-химическими процессами взаимодействия расплава, флюсов,… Методы плавки разнообразны. Выбор метода плавки и типа плавильного агрегата… Плавка в вагранке

Литейные свойства специальных чугунов

Линейная усадка белых чугунов составляет 1,8 - 2,2 %, а объемная око­ло 8 %, что в ряде случаев требует применения легкоотделяемых прибылей и… Хорошие литейные свойства высокохромистых белых чугунов успешно подтверждаются… В табл. 8.9 приведены результаты изучения влияния углерода в преде­лах от 1,53 до 4,15 % и хрома от 12,84 до 31,5 % на…

Особенности технологии формы в зависимости от свойств специальных чугунов

Технологический процесс изготовления деталей из специальных чугунов, несмотря на разнообразие применяемых составов и большое чис­ло марок, имеет… Технологические ограничения зачастую являются главным тормозом в применении… Отливки из специальных чугунов склоны к пригару.

Механическая обработка отливок

Механическая обработка отливок из специальных чугунов очень трудоемкая операция. Наиболее трудно обрабатываются отливки из белых износостойких… Обрабатываемость белых чугунов резанием зависит от вида и количества карбидов.… Плохо поддаются механической обработке белые высокохромистые чугуны. Особенно ухудшается обрабатываемость тех белых…