Химический состав белого чугуна

Белый чугун. Белые чугуны подразделяются на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические. Доэвтектические белые чугуны содержат 2,14-4,3% углерода, эвтектический – 4,3%, заэвтектические – более 4,3%.

Диаграмма Fe – Fe3C отражает фазовые превращения, протекающие в белых чугунах при нагреве и охлаждении (рис. 1).

Кристаллизация белых доэвтектических чугунов начинается с выделения из жидкого раствора кристаллов аустенина; заэвтектических – с выделения первичного цементита.

При температуре 1147 0 C(линия EF) белые чугуны претерпевают эвтектическое превращение. Оно заключается в образовании из жидкого раствора, содержащего 4,3%C, эвтектической смеси, состоящей из кристаллов аустенита с концентрацией углерода 2,14% и кристаллов цементита. Смесь эта называется ледебуритом.

При дальнейшем понижении температуры уменьшается растворимость в аустените углерода, в результате чего последний выделяется из аустенита в виде вторичного цементита.

При температуре 727oC аустенит претерпевает, как и в углеродистых сталях, эвтектоидное превращение.

Рис. 1. Диаграммы метастабильного (сплошная линия) и стабильного (пунктир) равновесия железоуглеродистых сплавов.

Таким образом, структура белого доэвтектического чугуна при комнатной температуре состоит из ледебурита, перлита и вторичного цемента (рис.2, а). Ледебуритная составляющая представляет собой светлые цементитные поля с равномерно расположенными на них темными перлитными участками. Перлит образует темные зерна; вторичный же цементит частично виден в виде светлых выделений по границам перлитных зерен, а частично сливается с цементитом ледебурита.

Эвтектический белый чугун (рис.2, б) имеет в своей структуре один ледебурит.

Структура белого заэвтектического чугуна (рис.2, в) состоит из ледебурита, в матрице которого расположены крупные призматические кристаллы первичного цементита, выделившиеся из жидкого раствора.

Образованию белого чугуна способствует большая скорость охлаждения сплава, повышенное содержание Mg от 0,5 до 1,2% (и более), а также легирующих элементов (карбидообразователей): Cr, W, V.

Из-за большего содержания цементита белые чугуны обладают высокой твердостью (до 500-700 НВ) и хрупкостью, трудно обрабатываются резанием на станках, их можно лишь шлифовать абразивным инструментом. Поэтому в качестве конструкционных материалов их применяют редко, используя только для изготовления деталей, работающих в условиях повышенного абразивного изнашивания, т.е. соприкасающихся в процессе работы с частицами песка, руды и т.п. (детали гидромашин, пескометов и др.). Для увеличения износостойкости белые чугуны легируют Cr, V, Mo и другими карбидообразующими элементами.

Большее применение находит так называемый отбеленный чугун при изготовлении массивных изделий, обладающих большой поверхностной твердостью. При этом химический состав чугуна и скорости затвердевания отливки подбирают так, что белый чугун получается лишь на поверхности, а в середине – серый чугун. Такие изделия хорошо сопротивляются износу. Это прокатные валки, вальцы и шары мельниц, волочильные доски, бандажи вагонных колес, лемехи плугов и др. Однако основная часть получаемого заэвтектического чугуна идет в переплавку, а доэвтектического на переработку (специальной термической обработкой) в ковкий чугун. В судостроении белые чугуны практически не используются. На речном флоте из белого (отбеленного) чугуна отливают роульсы черпаковых скатов многочерпаковых земонарядов, шнеки для подборщиков, применяемых при перегрузке песка, эпатитов и т.п. грузов.

Рис.2. Структура белого чугуна а) доэвтектического; б) эвтектического;

Чугуны – это сплавы железа и углерода, содержащие более 2,14% С. Чугуны делятся на две основные группы:

• – белые (получили название по виду матово-белого излома), в них весь углерод находится в связанном состоянии – в цементите;
• – с графитом, в них весь углерод или его часть находится в свободном состоянии (в виде графита) в металлической основе (матрице).

В чугунах содержатся те же постоянные примеси, что и в стали.

Сера и фосфор понижают вязкость и пластичность чугунов, так же как и в сталях. Однако вредное влияние этих примесей не так ощутимо, так как чугуны являются хрупким материалом. Вследствие этого в чугунах допускается более высокое содержание серы – 0,1. 0,12% и фосфора – 0,4. 0,6%.

Чугуны являются литейными сплавами. Поэтому целесообразно оценить влияние примесей на технологические свойства чугунов – жидкотекучесть и усадку (см. 11.2).

Сера понижает жидкотекучесть, увеличивает усадку и повышает склонность к образованию трещин.

Фосфор улучшает жидкотекучесть из-за снижения температуры плавления. Чугуны с увеличенным содержанием фосфора используют для художественного литья.

Марганец и кремний – полезные примеси, являются, как и в сталях, раскислителями при выплавке чугунов. Кремний как графитизатор способствует, а марганец, будучи карбидообразующим элементом (см. 6.4.1), затрудняет образование свободного углерода. Вместе с тем марганец несколько улучшает механические свойства чугунов, особенно в тонкостенных отливках. Содержание этих примесей в разных чугунах колеблется в пределах: 1,0. 3,5% кремния и 0,2. 1,1% марганца.

Влияние углерода зависит главным образом от того, в каком виде – связанном или свободном – он присутствует в структуре, и будет рассмотрено отдельно для белых чугу- нов и чугунов с графитом.

Белые и отбеленные чугуны

Белые чугуны – это чугуны, в которых весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита. Фазовые превращения в белых чугунах при первичной кристаллизации и в твердом состоянии в процессе последующего охлаждения протекают согласно диаграмме "железо – цементит" (см. 4.3 и рис. 4.4):

• – белые доэвтектичсские чугуны со структурой перлита, ледебурита перлитового и цементита вторичного (П + Лп + + ЦII, см. рис. 4.4);
• – белый эвтектический чугун со структурой ледебурита перлитового (Лп, см. рис. 4.4);
• – белые заэвтектические чугуны со структурой ледебурита перлитового и цементита первичного (Лп + Ц,, см. рис. 4.4).

С увеличением в чугунах содержания углерода в структуре белых чугунов возрастает количество цементита, который присутствует как в виде самостоятельной фазы (вторичный в доэвтектических и первичный в заэвтектических), гак и в составе ледебурита и перлита. В результате заметно возрастают твердость и прочность чугуна при сжатии (асж), но снижаются прочность при растяжении (σΒ) и особенно сильно пластичность (δ). Поэтому содержание углерода в чугунах ограничивается 3,7%, т.е. используются в основном белые доэвтектические чугуны.

Белые чугуны имеют высокую твердость (до 450. 550 НВ), это определяет их хрупкость; из-за высокой твердости они плохо поддаются обработке резанием. В связи с этим белые чугуны мало применяются в машиностроении. Для их получения металл раскисляют обычно марганцем (препятствует графитизации) и отливают в отливки небольшой массы (отливки большой массы медленно охлаждаются, вследствие этого происходит графитизация, т.е. белый чугун не получается).

Детали из белого чугуна целесообразно использовать при работе в условиях повышенного износа, при этом они должны иметь простую форму, получение которой не требует значительной механической обработки (например, шары шаровых мельниц для размола руды). Основное назначение белого чугуна – это переработка на ковкий чугун. Кроме того, ограниченное применение находят отбеленные чугуны.

Отбеливание представляет собой процесс образования белого чугуна в поверхностном слое отливки из серого чугуна. Отбеливание является следствием быстрого охлаждения поверхности отливки, что, как указывалось, препятствует графитизации. Отбеливание происходит при заливке жидкого чугуна в металлическую форму (кокиль); глубина твердого отбеленного слоя составляет 12. 30 мм. Его образование может быть:

• – вредным, если отливка в дальнейшем подвергается механической обработке для обеспечения окончательных формы и размеров изготавливаемой детали; в этом случае отбеливание устраняется графитизирующим отжигом, в процессе которого цементит распадается с образованием графита;
• – полезным, если полученная литая деталь практически не подвергается резанию и предназначена для работы в условиях, требующих высокой износостойкости.

Отбеленные чугуны используют для изготовления валков некоторых прокатных станов, лемехов плугов, тормозных колодок и других деталей.

В СССР не было специального стандарта (ГОСТ) на белые износостойкие чугуны. Сведения о таких сплавах были включены в ГОСТ 7769-82 [139], регламентирующий химический состав и механические свойства легированного чугуна со специальными свойствами.

Высоколегированные белые чугуны можно разделить на несколько классов: хромоникелевые (2,0-11%,0 Cr и 4,0-7,0% Ni), хромомолибденовые (11,0-23,0% Cr и до 3% Mo), высокохромистые (23-30% Cr) и специальные белые чугуны. Эти чугуны имеют твердость НВ 750 и мартенситную матрицу, которая получается при термообработке.

При разработке чугунов новых марок ставилась задача создания специализированных сплавов для работы в условиях преимущественно нейтральных или абразивно-коррозионных сред.

Для деталей сельскохозяйственных машин, работающих в условиях износа рекомендуется использовать аустенитный марганцовистый чугун. Низкоуглеродистый чугун с содержанием хрома около 6%, который дополнительно легировали молибденом (до 3%) и вольфрамом (до 10%). При легировании марганцем до 5% твердость и износостойкость увеличивались. При вводе ванадия твердость незначительно уменьшалась, а износостойкость увеличилась на 25%. При легировании молибденом и вольфрамом твердость и износостойкость сплава в литом состоянии вначале увеличивается. Отмечают, что максимальные твердость и износостойкость наблюдались при содержании 1-2% Mn, 2,5% W и 1-2% V. Низкотемпературный отпуск снижает твердость и износостойкость этих чугунов.

Применение чугуна нихард, содержащего 7-11% Cr обеспечивает более высокую износостойкость по сравнению с чугунами нихард, содержащими 2-4% Cr и имеющими цементитную структуру карбидов.

Отмечается, что низкохромистые чугуны дешевы, но мало прочны и хрупки. Есть два пути решения этой проблемы: первый — применение чугунов с содержанием хрома более 13% и второй — изменение механизма образования карбидов в чугунах с содержанием до 8% Cr и до 4,5% Si, превращая эти карбиды в изолированные и более тонкие. Исследовалось влияние содержаний кремния (0,723-4,5%) и хрома (2,0-8,0%) на микроструктуру. Утверждается, что увеличение количества кремния и хрома приводит к изменению морфологии — от непрерывной сетки карбидов к изолированным и более тонким. Твердость карбидов и матрицы увеличивается с увеличением количества хрома и кремния. Структура состоит из смеси карбидов Fe3C и Cr7C3. Твердость матрицы — свыше HV 400; при содержании кремния свыше 3% прочность на удар падает. Когда содержание хрома достигает 5%, сопротивление ударному износу у этих чугунов сравнимо с таковым у традиционных высокохромистых чугунов.

Очень ценным материалом для оборудования, работающего в условиях воздействия коррозионных сред, при повышенных температурах и в условиях сильного износа являются хромистые чугуны марок Х28Л и Х34Л.

Образцы белого чугуна с содержанием хрома 2,8; 12,0 и 25,0% исследовали в литом состоянии и после нагрева в течение 100 ч при температурах 600°С и 1000°С. Определено, что хром больше сконцентрирован в карбидах, чем в матрице. С увеличением содержания хрома в чугуне линейно возрастает его содержание в карбидах. При уменьшении содержания углерода в образцах с одинаковым содержанием хрома возрастает количество растворенного хрома в карбидах и в матрице.

Исследованием сплава Fе—С—Сг с заэвтектической структурой (4,53% С, 1,52% Сг по 0,01% 5, Сu, Ni и Мо) установлено, что содержание хрома в первичном цементите 3,55%, в центре перлитного зерна 0,86%, у его края 0,58%, в центре цементитного зерна 2,83%, у его края 2,00%. Эти цифры подтверждают наличие обратной ликвации.

В белых чугунах с 0,03—0,54% Сr отношение содержания хрома а карбидах к содержанию его в феррите колеблется незначительно и в среднем составляет 5:1. Чем ближе белый чугун находится к состоянию равновесия, тем больше хрома содержится в карбидной фазе. При постоянном количестве углерода отношение содержания хрома в цементите к среднему его содержанию в белом чугуне снижается при увеличении содержания хрома.

Известно, что хром растворяется в аустените до 13—14%, в цементите — до 15% с образованием орторомбического. цементита (Fе, Сг) С. Коэффициент распределения хрома между аустенитом и цементитом в сплаве с 3,43—4,15% С уменьшается с увеличением удержания хрома в сплаве в интервале 0,1—1,0%. Снижение скорости охлаждения во время кристаллизации вызывает уменьшение коэффициента распределения.

При исследовании белого чугуна с 3% хрома отмечено существенное измельчение структуры при увеличении скорости затвердевания в пределах 11,3—101,3 мм/ч.

Изучение свойств Сг-Мо чугунов, выявившее, что роль молибдена в Сг чугунах заключается только в увеличении прокаливаемости, привело к созданию марок Сr-Мо-чугунов с более низким содержанием молибдена, чем (в сплаве 15-3 — ИЧ290Х12М, ВР182, 12-1. Применение марок с пониженным содержанием молибдена ограничивается деталями небольшой толщины.

Микроструктура Сг-Мо чугунов после окончательной термической обработки — эвтектические карбиды М7C3 в мартенситной основе с мелкими выделениями вторичных карбидов, для 15-3 ХНС — с «первичными» карбидами и М7C3. Возможно некоторое количество остаточного аустенита, выявление которого металлографическим исследованием затруднительно.

Сг-Мо износостойкие чугуны легче других марок износостойких чугунов отжечь с образованием мягкого зернистого перлита. В отожженном состоянии Сг-Мо износостойкие чугуны обрабатываются на металлорежущих станках.

Прокаливаемость Сг-Мо чугунов зависит от содержания молибдена и отношения Сг3С. Для массивных отливок без дополнительного легирования третьим элементом она часто недостаточна.

В условиях абразивного изнашивания в нейтральной среде Сг-Мо чугуны обладают максимальной износостойкостью и обеспечивают более длительные сроки службы, чем нихард и другие марки чугунов. Сг-Мо чугуны в 8—12 раз превосходят в этих условиях углеродистые стали. Условия изнашивания, где наиболее полно проявляется высокая износостойкость Сг-Мо чугунов — интенсивный абразивный износ (например, гравий и песок в речной воде), сухой помол и т. п.

В условиях абразивно-коррозионного воздействия износостойкость Сг-Мо чугунов резко уменьшается, так как они имеют низкую коррозионную стойкость.

Рис. 1. Микроструктура износостойких чугунов (Х500):

а — чугун с карбидами (Fе, Сг)₃ С (нихард); б — чугун с эвтектическими карбидами (Fе, Сг)7 Сз (ИЧ290Х12М): в — чугун с первичными карбидами (Сг. Fе) 7С3 (ИЧХ28Н2); г — измельчение структуры за счет высокой скорости охлаждения при кристаллизации (ИЧЗООХ18ГЗ медный кокиль); д — направленное затвердевание чугуна с 2,8% С и 29,9°хг Сг со скоростью 12,8 мм/ч (Х100); е — «инвертированная» структура с карбидами VС.

Отмечают, что износостойкий чугун 15% Cr-Mo, содержащий 3,3-3,6% углерода после полной закалки имеет самую высокую стойкость к абразивному износу по сравнению с другими чугунами. Однако толстостенные отливки из этого чугуна в результате закалки не получают полной мартенситной структуры, так как из-за высокого содержания углерода образуется перлит. Также отмечается, что исследования показали, что молибден, никель и марганец в сочетании или отдельно можно применять для устранения образования перлита при закалке толстостенных деталей из высокохромистого чугуна. Однако никель, марганец и, в меньшей степени, медь стабилизируют аустенит в структуре закаленных чугунов. Остаточный аустенит понижает абразивную стойкость чугунов, поэтому следует ограничивать содержание никеля, марганца и меди в этих сплавах. Введение в чугун 1,5-2,0% Мо и 1% Cu приводит к более успешному подавлению образования перлита при закалке, чем только при добавке 3% Мо. Такие сплавы широко применяются для изготовления футеровочных плит шаровых, стержневых и автогенных (самоизмельчения) мельниц и других деталей.

Завышение содержания кремния (иногда до 3,8%) во многих чугунах приводит к снижению их твердости и износостойкости из-за образования ферритной, феррито-перлитной или перлитной матрицы.

В высокохромистом чугуне (2,0-2,25% С, 30% Cr, 3% Mn) увеличение содержания кремния с 0,75% до 2,18% снижает твердость этого чугуна после закалки с HRC 57 до HRC 36. Для улучшения прокаливаемости и, следовательно, получения твердой, прочной структуры металлической основы содержание кремния в износостойких чугунах не должно превышать 1%.

Чугуны ЧХ28 и ЧХ32 характеризуются как имеющие высокое сопротивление износу, и из них рекомендуется изготавливать сопла для пескоструйных аппаратов и другие детали, подверженные абразивному износу. Дорогие высоколегированные (28-34% Cr) чугуны, имеющие твердость HB 200-350 и ферритную основу, явно непригодны в качестве износостойких, а значительно менее легированные (12-18% Cr) и более дешевые чугуны обладают износостойкостью, в четыре-пять раз превышающей стойкость чугунов ЧХ28 и ЧХ32, которая мало отличается по износостойкости от углеродистых сталей.

Чугун Х28 при содержании углерода до 1% после отжига может подвергаться холодной обработке резанием; для чугуна Х34, с более высоким содержанием углерода, такая обработка связана с определенными трудностями. Небольшие добавки кремния (1—2%) улучшают механическую обрабатываемость высокохромистых сталей.

Высокохромистые чугуны марок Х-28 и Х-34 при застывании и дальнейшем охлаждении дают большую усадку н склонны к крупнокристаллическому столбчатому излому. Эти явления вызывают появление рыхлот и трещин.

Установлено, что повышение температуры металла при заливке до 1480° повышает его жидкотекучесть, улучшает структуру и препятствует образованию горячих трещин.

Благоприятное влияние оказывает применение в качестве модификатора смеси, состоящей из 50% ферросилиция и 50% ферротитана, вводимой в количестве 0,7% от веса жидкого металла. Отжиг при 950 несколько улучшает обрабатываемость 28%-ного хромистого чугуна.

Присадка кремния к хромистым чугунам повышает их окалиностойкость и улучшает механические свойства. Присадка титана в количестве 0,5—1,0% измельчает зерно, а присадка меди повышает коррозионную стойкость в некоторых кислотах.

Сравнительно широкое применение нашел чугун ИЧ290Х28Н2, несмотря на то, что он уступает по износостойкости и обрабатываемости таким сплавам, как 15% Cr-Mo, ИЧ290Х18Г3. Однако чугун ИЧ290Х28Н2 обладает более высокой коррозионной стойкостью и меньшей склонностью к образованию холодных трещин, чем упомянутые сплавы, что определило широкое распространение чугуна ИЧ290Х28Н2.

Универсальные сплавы, как, например чугун ИЧ290Х30Н2, имеют в 1,5 раза более низкую износостойкость в нейтральных абразивных средах в сравнении с чугуном ИЧ290Х18Г2 и 15% Cr-Mo и более чем в три раза уступают чугуну ИЧ210Х30Г3 в абразивно-коррозионных средах.

Практически все иследованые белые чугуны обладают линейной (?2%) и объемной (?8%) усадкой. Эти сплавы сравнительно хорошо жидкотекучие, что позволяет отливать детали со стенками толщиной до 4 мм.

Химический состав основных легирующих элементов