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 более высокую жаростойкость, чем обычные чугуны (серые). Эти чугуны должны иметь перлитную структуру с пластинчатым графитом. По мере повышения содержания хрома в структуре чугунов появляются включения эвтектического цементита. Для предотвращения образования цементита увеличивают содержание кремния и углерода, а также модифицируют чугун.
Чугун с содержанием хрома 0,8 - 1,0 % достаточно ростоустойчив при температурах до 700 °C, а с содержанием хрома 1-2 % – до 900 °C.
Механические свойства низкохромистых чугунов связаны с особенностями их структуры и сравнительно невелики. Фактическое значение σв может достигать 290 МПа при отсутствии в структуре большего количества эвтектического цементита и достаточно мелком графите. Твёрдость чугунов зависит от количества эвтектического цементита в структуре и может быть снижена за счёт термической обработки.
Высокохромистые чугуны марок ЧХ16, ЧХ28, ЧХ32 имеют более высокую жаростойкость, чем низкохромистые, благодаря стабильной структуре легированного белого чугуна и высокой окалиностойкости матрицы.
Структура чугуна ЧХ16 перлитноцементитная, а чугунов ЧХ28 и ЧХ32 – ферритоцементитная. Их жаростойкость увеличивается с повышением содержания хрома. Чугун ЧХ16 жаростоек до 900 °C, ЧХ28 – до 1100 °C, ЧХ32 – до 1200 °C. Прочность их существенно выше, чем низкохромистых чугунов.
Низкохромистые чугуны ЧХ1, ЧХ2, ЧХ3 жаростойки в воздушной окислительной среде при температурах до 700 °C, высокохромистые – до 1200 °C. Помимо высокой жаростойкости, высокохромистые чугуны ещё и износостойкие и применяются для деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания при высоких температурах в окислительных газовых средах (табл. 3.5).
Таблица 3.5
Основные эксплуатационные свойства и области применения хромистых жаростойких чугунов
Марки чугуна | Эксплуатационные свойства чугунов | Применение |
ЧХ1 | Жаростойкий в воздушной среде до 500 °C | Холодильные плиты доменных печей, колосники агломерационных машин, детали коксохимического оборудования, горелки, кокили, детали газотурбинных двигателей и компрессоров, формы для стекла, выхлопные коллекторы дизелей |
ЧХ2 | Жаростойкий в воздушной среде до 600 °C | Колосники и балки горна агломерационных машин, решётки трубчатых печей нефтеперерабатывающих заводов, детали термических печей, турбокомпрессоров, облицовочные плиты тушильных вагонов, детали стекломашин |
ЧХ3 | Жаростойкий в воздушной среде до 700 °C | Детали контактных аппаратов химического оборудования |
ЧХ16 | Жаростойкий в воздушной среде до 900 °C, износостойкий при нормальной температуре, устойчивый против воздействия неорганических кислот большой концентрации | Арматура химического машиностроения, печная арматура, детали цементных печей, колосники агломерационных машин |
ЧХ28, ЧХ32 | Жаростойкие до 1100-1200 °C. Высокое сопротивление абразивному изнашиванию. Коррозионностойкие | Детали центробежных насосов, реторты для цементации, сопла горелок, цилиндры, корпуса золотников, гребки печей обжига колчедана, колосники агломерационных машин |
Металлургические основы получения отливок из низкохромистых чугунов связаны с особенностями их литейных свойств и, прежде всего, с повышенной склонностью к отбелу и образованию усадочных дефектов по мере увеличения содержания хрома. Чем выше содержание хрома в низкохромистых чугунах, тем более высокое содержание кремния требуется для снижения склонности к отбелу. Содержание кремния выбирается не только в зависимости от содержания хрома, но и с учётом толщины стенки отливки. Для уменьшения количества цементита, особенно в тонкостенных отливках, низкохромистые чугуны (ЧХ2, ЧХ3) необходимо модифицировать (ферросилицием, Р3М).
Увеличение содержания хрома в чугунах ЧХ1, ЧХ2, ЧХ3 приводит к увеличению линейной усадки от 1,25 % до 1,5 %, снижению жидкотекучести на 30-35 %.
Литейные свойства высокохромистых чугунов хуже, чем у низкохромистых и у обычных серых, но достаточны для получения тонкостенных отливок. Линейная усадка у них довольно высокая – 1,5-2,2 %. Жидкотекучесть в 2-3 раза хуже, чем у серых чугунов. Однако, в отличие от низкохромистых чугунов ЧХ1, ЧХ2, ЧХ3, жидкотекучесть высокохромистых чугунов повышается при увеличении содержания в них углерода и хрома.
Жаростойкие хромистые чугуны выплавляют в дуговых или индукционных печах. Лишь чугуны марок ЧХ1, ЧХ2, ЧХ3 можно выплавлять в вагранках.
Плавка ведётся как правило методом переплава, но может применяться и плавка на свежих шихтовых материалах. При этом, в случае использования в шихте высокоуглеродистых марок феррохрома ФХ800, ФХ650, ФХ400 рекомендуется перегрев расплава до 1500 °C и выдержку при этой температуре не менее 15 мин. Температура заливки зависит от толщины стенки отливки, типа литейной формы и содержания углерода. Для чугунов с карбидами (Fe, Cr)7C3 рекомендуемая температура заливки 1340-1360 °C для массивных отливок и до 1400 °C для тонкостенных отливок. Для низкохромистых чугунов температура заливки форм 1280-1340 °C.
Учитывая высокую склонность отливок из белых чугунов к образованию трещин, при проектировании технологии отливки необходимо предусматривать затруднение усадки стержнями и литниковой системой и обеспечивать снижение температурных градиентов между частями отливки.
Прибыли лучше ставить легкоотделяемые, так как их обрезка часто ведёт к образованию трещин. Допускается удаление остатков литников и заливов толщиной до 20 мм электровоздушной строжкой или абразивными кругами.
Широкое распространение получает литье таких чугунов в кокиль. Это обеспечивает повышение точности и чистоты отливок, снижение объёма очистки и механической обработки, повышение эксплуатационных свойств отливок.
Обрабатываемость резанием белых жаростойких чугунов сильно затруднена из-за большого количества карбидов в структуре. Чугуны с карбидами Me3C практически не поддаются обработке лезвийным инструментом.
При обработке чугунов с карбидами Me7C3 (при Cr > 10 %) определённую роль играет металлическая основа. Если после отжига она имеет структуру мелкого зернистого перлита, чугун обрабатывается вполне удовлетворительно, несмотря на наличие в структуре карбидов.
Сложные отливки из белых износостойких чугунов, имеющие высокий уровень остаточных напряжений, как правило, загружают в печь для термической обработки при температуре не более 200 °C. Для массивных отливок и отливок сложной формы во время нагрева вводят выравнивающие температуры выдержки при 200, 400 и 600 °C по 2-3 часа. Охлаждение отливок после термической обработки, как правило, происходит на воздухе.