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)
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…
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…
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…
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…
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…
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 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
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
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…
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
- 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.…
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
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
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…
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
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…
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
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…
ГОСТ 7769 - 82 предусматривает две марки жаростойкого кремнистого чугуна ЧС5 и ЧС5Ш. Химический состав чугунов марок ЧС5 и ЧС5Ш и механические…
Таблица 3.6
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 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
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…
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…
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…
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…
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…
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…
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,…
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
Антифрикционные чугуны (ГОСТ 1585 - 85), содержащие в структуре включения пластинчатого, компактного и шаровидного графита, достаточно полно… Основными преимуществами антифрикционных чугунов в сравнении сцветными…
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
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,…
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…
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
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
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…
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 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…