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 требованием к чугуну каждой марки (табл. 3.1) является химический состав, который определяет микрострук­туру и основные эксплуатационные свойства: жаростойкость, износостойкость. Алюминиевые чугуны применяются главным образом как жаростойкие сплавы в различных газовых средах при повышенных температурах. Механические свойства чугунов представлены в табл. 3.2 и 3.3.

 

Таблица 3.1

Марки и химический состав алюминиевых чугунов

Марка чугуна	Содержание элементов, %
С	Si	Cr	Al	Mn	P	S
не более
ЧЮХШ	3,0-3,8	2,0-3,0	0,4-1,0	0,6-1,5	0,5	0,1	0,03
ЧЮ6С5	1,8-2,4	4,5-6,0	-	5,5-7,0	0,8	0,3	0,12
ЧЮ7Х2	2,5-3,0	1,5-3,0	1,5-3,0	5,0-9,0	1,0	0,3	0,12
ЧЮ22Ш	1,6-2,5	1,0-2,0	-	19,0-25,0	0,8	0,2	0,03
ЧЮ30	1,0-1,2	0,0-0,5	-	29,0-31,0	0,7	0,04	0,08

 

Таблица 3.2

Механические свойства алюминиевых чугунов

Марки чугуна	sВ, МПа	sИЗГ, МПа	НВ
ЧЮХШ			187-364
ЧЮ6С5			235-300
ЧЮ7Х2			240-286
ЧЮ22Ш			241-364
ЧЮ30			364-550

 

 

Таблица 3.3

Показатели прочности при растяжении алюминиевых чугунов при повышенных температурах (кратковременные испытания)

Марки чугуна	sВ, МПа при температуре, °C
ЧЮХШ					-
ЧЮ6С5					-
ЧЮ7Х2					-
ЧЮ22Ш

 

Структура чугуна марки ЧЮХШ состоит из перлита, небольшого количества феррита вокруг графитовых включений и цементитной эвтектики по границам эвтектических колоний. Графит имеет шаровидную форму, которая получается за счет модифицирования чугуна лигатурами ЖКМК или ЖКМ в количестве 2,0 – 2,5 %. Если графит в таком чугуне не шаровидный, а пластинчатой формы, то свойства сплава значительно ниже. Причем, существенно ниже (на 20 % и более) s_В, s_ИЗГ, в то время как твердость практически не меняется.

С целью увеличения жаростойкости чугуна ЧЮХШ необходимо увеличивать содержание хрома и алюминия, но не более 1,5 % Сr и 3 % Al.

Оксидный слой в хромоалюминиевых чугунах состоит из трех слоев: наружный светлый Fe₂O₃, средний более темный Fe₃O₄ и слой, прилегающий к металлу, содержащий оксиды FeO и АlO₃. Из-за недостатка алюминия последний не образует сплош­ного слоя, а лишь создает отдельные зоны оксидов, обогащен­ные алюминием. Легирование чугуна хромом и алюминием по­вышает температуру эвтектоидного превращения, что способ­ствует повышению жаростойкости. Температура эвтектоидного превращения чугуна, содержащего 1,5 - 2,0 % Сr и 2,5 - 3,0 % Аl повышается до 850 °С.

Хромоалюминиевый чугун с шаровидным графитом марки ЧЮХШ обладает более высокой окалиностойкостью в сравне­нии с чугуном, такого же химического состава, но с графитом или в форме пластинок или неправильных сильно разветвлен­ных конгломератов. Существенное влияние на окалиностойкость чугуна оказывает плотность металлической основы. Рыхлый пористый чугун имеет пониженную окалиностойкость даже при шаровидной и компактной форме графита. Крупные включения пластинчатого графита, получаемые при модифицирова­нии хромоалюминиевого чугуна ферросилицием, снижают его окалиностойкость.

Чугун марки ЧЮ6С5 содержит 4,5 - 6,0 % Si и 5,5 - 7,0 % Al. Структура чугуна состоит из феррита, перлита, фазы Fe₃AlC_x и графита пластинчатой формы. Высокая жаростойкость чугуна в воздушной среде и атмосфере топочных газов обеспечивается при суммарном содержании кремния и алюминия не менее 10,5%. Практическое применение этих чугунов сдерживает их низкая прочность и высокая хрупкость.

Чугун марки ЧЮ7Х2 содержит 5,0 - 9,0 % Al и 1,5 - 3,0 % Сr. Структура чугуна состоит из перлита, феррита, карбидов и пластинчатого гра­фита. Механические свойства его аналогичны свойствам чугуна ЧЮ6С5 и довольно низки. Это сдерживает его широкое применение для изготовления жаростойких отливок. Чугун марки ЧЮ7Х2 обладает довольно высокой жаростойкостью в воздушной среде. Благодаря защитному действию оксидов, образующихся в таком чугуне, процесс обезуглероживания в первоначальный период превалирует над процессом окисления. Поэтому при оценке окалиностойкости отмечается уменьшение массы вместо ее увеличения.

Чугун марки ЧЮ22Ш содержит 19 - 25 % Аl. Структура ме­таллической основы чугуна может быть чисто ферритной при содержании 22 - 23 % Аl и 1,5 - 1,8 % Si или ферритной с различным количеством фазы Fe₃AlC_x (при более низком содержании алюминия и кремния) или карбида Аl₄С₃ (при повышен­ном содержании алюминия и кремния).

Чугуны, легированные 19 - 25 % Al, сохраняют высокую прочность и твердость при по­вышенных температурах. Разброс значений приведенных величин связан с различной степенью легирования алюминием (19 - 25%), соотно­шением содержания алюминия и кремния, а также различным количеством фазы Fe₃AlC_x в чу­гуне. Твердость при 900 °С составляет 90 НВ; временное со­противление разрыву при растяжении при 1000 °С – 25 – 68 МПа и 13 МПа при 1200 °С. При этом относительное удли­нение повышается до 30 %. Благодаря стабильности структуры алюминиевого чугуна с шаровидным графитом в области вы­соких температур, прочность его после длительной выдержки при температуре 1000 °С изменяется незначительно (20 %).

Коэффициент линейного расширения алюминиевого чугуна возрастает с увеличением температуры и содержания алюминия. Коэффициент линейного расширения алюминиевого чугуна с шаровидным графитом несколько выше, чем такого же чугуна с пластинчатым графитом.

Теплопроводность алюминиевого чугуна ЧЮ22Ш при нормальной температуре ниже, чем у серого и высокопрочного чугунов. С повышением температуры коэффициент теплопровод­ности алюминиевого чугуна возрастает, в то время как у нелегированных чугунов снижается. В результате при 950 °С коэф­фициент теплопроводности алюминиевого чугуна с шаровидным графитом более чем в два раза выше, чем серого и высокопрочного чугунов.

Окалиностойкость чугуна высокая вплоть до температуры плавления. При повышении темпера­туры интенсивность процесса окисления растет.

Изменение содержания углерода в алюминиевом чугуне практически не влияет на уровень его окалиностойкости. Фос­фор и медь несколько повышают окалиностойкость алюминие­вого чугуна. Изменение содержания марганца от 0,2 до 1,6 % и кремния от 1,0 до 2,7 % практически не сказывается на окалиностойкости алюминиевого чугуна.

Чугун марки ЧЮ30 известен под названием «пирофераль». Весь углерод в нем связан в карбиды Аl₄С₃. Поэтому чугун обладает высокой твердостью и хрупкостью. Несмотря на низкое содержание (1,0 – 1,2 %) углерода «пирофераль», как и любой чугун, имеет эвтектическое превращение. Наряду с высокой жаростойкостью пирофераль имеет высокую износостойкость при высоких температурах. К недостаткам этого чугуна следует отнести склонность к самопроизвольному распаду при нормальной температуре и плохую обрабатываемость резанием. Основной причиной распада является наличие в структуре чугуна карбида Al₄C₃, который при обычной температуре, особенно при наличии атмосферной влаги, является нестабильным соединением и разлагается по реакции

Al₄C₃ + 6H₂O = 2Al₂O₃ + 3CH₄.

Склонность пирофераля к распаду зависит от структуры, химического состава и технологического процесса ведения плавки. Чем грубее включения Al₄C₃, тем выше их склонность к распаду. Крупные включения Al₄C₃ образуются вследствие перегрева чугуна при выплавке. Перегрев ведёт также к насыщению расплава водородом. Чугуны, в структуре которых включения Al₄C₃ мелкие и равномерно распределены, более устойчивы к распаду, особенно при эксплуатации в условиях низкой влажности. Процесс распада можно замедлить за счёт введения титана или отжигом отливок при 900 °C. При повышенных температурах карбид Al₄C₃ является стойким соединением, и отливки из чугуна ЧЮ30 не подвержены распаду.

Прочность пирофераля не снижается после выдержки образцов в окислительной атмосфере при 1000 °C в течение 100 ч, что говорит о стабильности сплава. Пирофераль обладает высокой жаростойкостью при температуре до 1200 °C в воздушной среде, а также в атмосфере чистого кислорода, в восстановительной и окислительной атмосфере продуктов горения.

Из пирофераля отливают тигли для плавки алюминиевых сплавов. Срок службы их почти в 4 раза больше, чем тиглей из обычных серых чугунов. Цементационные ящики по стойкости в 10 раз превосходят стальные.

Алюминиевые чугуны применяются главным образом как жаростойкие сплавы в различных газовых средах при повышенных температурах.

Чугун марки ЧЮХШ жаростоек в воздушной среде до 700 °C, стоек против истирания. Применяется как материал пресс-форм для изготовления стеклянных изделий, для деталей печного оборудования, колосников агломерационных машин и топок котлов, для деталей коксохимического оборудования, для роликов чистовых клетей листопрокатных станов, деталей газовых двигателей и компрессоров, горелок, кокилей.

Чугун марки ЧЮ6С5 жаростоек в воздушной среде, содержащей соединения серы, стоек к резким сменам температуры. Применяется для изготовления деталей топочной аппаратуры, колосников, кокилей, сероуглеродных реторт, деталей турбокомпрессоров, деталей аппаратов химического оборудования, деталей агломерационных машин, арматуры химического машиностроения, деталей цементных печей.

Чугун марки ЧЮ7Х2 жаростойкий в воздушной среде до 1100 °C. Стойкий в среде паров воды, сернистого газа, против истирания. Используется для изготовления деталей химического и нефтеперерабатывающего оборудования, деталей печной арматуры, колосников агломашин и топок котлов, деталей цементных печей.

Чугун марки ЧЮ22Ш жаростойкий в среде, содержащей серу, сернистый газ, окислы ванадия и пары воды. В воздушной среде жаростойкий до 1100 °C. Обладает высокой прочностью при нормальной и повышенной температурах. Он применяется в химической, энергетической, металлургической промышленностях для изготовления деталей печей пылевидного обжига колчедана, колчеданных печей, колосников агломашин, топочной аппаратуры, деталей термических печей, футеровочных плит камер сгорания газотурбинных установок, плавильных тиглей и т. д. Применение чугуна марки ЧЮ22Ш в химической промышленности при производстве серной кислоты показало его эффективность в сравнении с высокохромистыми сталями. Детали колчеданных печей из ЧЮ22Ш имеют стойкость в 1,5-2,0 раза выше, чем из сплава Х28. Продолжительность эксплуатации деталей в колчеданных печах на самых горячих сводах составляют более 100 суток.

Чугун ЧЮ30 жаростойкий в среде, содержащей серу и сернистый газ, в среде топочных газов. Стойкий против износа. Детали из него жаростойки в воздушной среде до температур 1100 °C. Применяется для изготовления деталей термических печей, печей обжига колчедана, тиглей для плавки алюминия.