Раздел 3. Конструкционные материалы

Тема 3.1.Чугуны.

Чугуны — это железоуглеродистые сплавы в которых содержится более 2,14 % С. По степени эвтектичности чугуны подразделяют на доэвтектические (2,14—4,3 % С), эвтектические (4,3 % С) и заэвтектические (>4,3 % С).

По степени графитизации чугуны подразделяют на белый (не графитизированный), в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита (Fe_sC) или в карбидах других элементов (Cr, Mo, V, Ti и др.); отбеленный или половинчатый (частично графитизиро­ванный).

Графитизированные чугуны подразделяют на серый (СЧ), высокопрочный (ВЧ) и ковкий (КЧ). Ковким (КЧ) называют чугун за его повышенную пластичность, его получают из белого чугуна путем графитизации в твердом состоянии при высокотемпературной термической об­работке.

По твердости чугуны классифицируют на мягкий (<НВ 149), средний (НВ 149—197), повышенной твер­дости. (НВ 197—269) и твердый (>НВ 269).

По прочности чугуны классифицируют на обыкновен­ной прочности (Q_в < 200 МПа), повышенной прочности (Q_а = 200-380 МПа) и высокой прочности (Q_в > 380 МПа).

По пластичности чугуны классифицируют на непла­стичные (б < 1 %), малопластичный (б = 1÷5 %), пла­стичный (б = 5÷10 %) и повышенной пластичности (б > 10 %)

По эксплуатационным характеристикам чугуны под­разделяют на износостойкие, антифрикционные, корро­зионно-стойкие, жаропрочные, жаростойкие, немагнитные.

По форме графита различают чугуны с пластинча­тым (СЧ), шаровидным или глобулярным (ВЧ), хлопье­видным или гнездообразным графитом (КЧ) и вермикулярным графитом (ЧВГ).

По структуре металлической матрицы чугуны делятся на феррйтные, перлитные, аустенитные, белые и со сме­шанной структурой — перлитно-ферритные, половинча­тые (перлит -j- цементит), аустенитно-мартёнеитные и др.

Стандартами регламентированы не все конструкцион­ные чугуны. Маркировку чугунов проводят по их меха­ническим свойствам, а химический состав является фа­культативным показателем, кроме аустенитных и спе­циальных чугунов.

Серые чугуны маркируют только по пределу прочности на разрыв (а_в) с размерностью кгс/мм², но при указании механических свойств той или иной марки чугуна ис­пользуют размерность в МПа. ГОСТ предусматривает следующие марки серых чугунов: СЧ 10, СЧ 15, СЧ 18, СЧ 20, СЧ 21, СЧ 24, СЧ 25, СЧ 30, СЧ 35, СЧ 40, СЧ 45.

Серые чугуны нашли широкое применение в станко­строении (станины, детали станков, суппорты, бабки, люки, крышки), в двигателестроении, авто- и тракторо­строении (блоки цилиндров, гильзы, головки, распреде­лительные валы, седла клапанов, направляющие втулки, поршневые кольца, толкатели, тормозные барабаны, ди­ски сцепления, картеры коробок скоростей и сцепления), в химическом машиностроении, электромашиностроении, при производстве компрессоров, насосов, воздуходувок, для изготовления санитарно-технических изделий.

Ковкие чугуны маркируют по пределу прочности на разрыв (Q_в) с размерностью кгс/мм² и относительному удлинению (6) в процентах. ГОСТ предусматривает сле­дующие марки ковких чугунов: КЧ 30-6, КЧ 33-8, КЧ 35-10, КЧ 37-12, КЧ 45-7, КЧ 50-5, КЧ 55-4, КЧ 60-3, КЧ 65-3, КЧ 70-2, КЧ 80-15.

Металлическая основа ковких чугунов может быть перлитной или ферритной. Все марки чугуна получают графитизирующим отжигом белого чугуна. По своим литейным и механическим свойствам ковкие чугуны за­нимают промежуточное положение между чугунами и литыми сталями. Ковкие чугуны, особенно ферритные, широко применяют в сельскохозяйственном машинострое­нии (шестерни, рычаги, звенья цепей, звездочки храпо­вики, ступицы), в авто- и тракторостроении (задние мосты, ступицы, тормозные колодки, картеры дифферен­циалов, детали рулевого управления, рычаги, катки, втулки), вагоно- и судостроении (кронштейны, детали тормозной системы, детали сцепки, подшипники), в элек­тропромышленности и станкостроении, текстильном ма­шиностроении, для изготовления санитарно-технического и строительного оборудования.

Высокопрочные чугуны в соответствии с ГОСТ имеют следующие марки: ВЧ 35, ВЧ 40, ВЧ 45, ВЧ 50, ВЧ 60, ВЧ 70, ВЧ 80, ВЧ 100. Цифра, следующая за буквами ВЧ, означает предел прочности на разрыв в кгс/мм².

Высокопрочные чугуны изготовляют из низкосернистых и низкофосфористых серых чугунов путем модифицирова­ния их или магнием, или церием, или иттрием для полу­чения графита шаровидной формы. Высокопрочные чу­гуны в литом состоянии получают ферритными, перлит­ными, аустенитными или половинчатыми, а после допол­нительной термической обработки — мартенситными или бейнитными. Высокопрочный чугун с шаровидным графи­том используют очень широко в автомобильной промыш­ленности (коленчатые и распределительные валы, крон­штейны, ступицы, суппорты тормозных систем, шестерни главной передачи, шатуны, тормозные барабаны, картерные детали, поршневые кольца, подвески рессор, блоки цилиндров и другие детали). В тяжелом машиностроении (шаботы молотов, детали турбин, прокатные валки), в металлургии (изложницы), в транспортном машино­строении, в сельскохозяйственном машиностроении (при­цепные скобы, шестерни и звездочки, ступицы колес, диски муфт, рычаги и педали, шкивы, зубья борон, стойки корпусов плугов, опорные катки).

Белые чугуны используют как износостойкие кон­струкционные материалы. В таких чугунах весь углерод находится в связанном состоянии с карбидообразующими элементами. Наиболее дешевым и очень эффективным карбидообразующим элементом является хром. Кроме хрома в белые чугуны часто вводят в небольших количе­ствах другие карбидообразующие: марганец, бор, титан, ванадий, молибден. При введении 5—8 % Сг образуется карбид цементитного типа (Fe, Сг)₃С, а при содержании более 10 % Сг образуются сложные и твердые карбиды (Сг, Fe)₇C₃ и (Сг, Fe)₂₃C_e. Для придания чугуну большей вязкости, жаро- или коррозионной стойкости в его состав вводят никель и медь.

Износостойкие чугуны обозначают буквами ИЧ, и они маркируются по содержанию легирующих элементов, как стали. Чугуны марок ИЧХ4Г7Д, ИЧХЗТД,

ИЧХ28Н2, ИЧХ15МЗ, ИЧХ12М, ИЧХ12Г5, ИЧХ28Н2М2, ИЧХ12ГЗМ и другие применяют для изготовления лопа­ток дробеметных турбин, шаров и броневых плит для мельниц, элементов конструкций пневмотранспорта, де­талей насосов, перекачивающих абразивную среду, дета­лей пескометов, лопастей шнеков и др.

Антифрикционные чугуны имеют в маркировке букву А. Они предназначены для работы в узлах трения в паре с закаленными, нормализованными или без термической обработки контртелами. Антифрикционные чугуны изго­товляют на основе серых, ковких и высокопрочных чу­гунов.

Серые антифрикционные чугуны АСЧ-1 (с добавками хрома и никеля), АСЧ-2 (с добавками хрома, никеля, ти­тана и меди) предназначены для работы с термически обработанным (закаленным, нормализованным) кон­тртелом; чугун АСЧ-3 (с добавками титана и меди) предназначен для работы с незакаленным контр­телом.

Ковкий антифрикционный чугун АКЧ-1 (перлитный или перлитно-ферритный) предназначен для работы в паре с термически обработанным контртелом и чугун АКЧ-2 (перлитно-ферритный или ферритно-перлитный) — для ра­боты в паре с незакаленным контртелом.

Высокопрочный антифрикционный чугун АВЧ-1 пред­назначен для работы в паре с термически обработанным контртелом и чугун АВЧ-2 — для работы в паре с не­закаленным контртелом.

Жаростойкие чугуны — стойкие к окалинообразованию и росту. Эти чугуны выпускают с пластинчатым и шаровидным графитом с добавками хрома, кремния и алюминия и в маркировке имеют букву Ж-

Хромистые чугуны ЖЧХ-0,8, ЖЧХ-1,5, ЖЧХ-2,5 применяют для элементов конструкций доменных, терми­ческих и мартеновских печей, колосников агломерацион­ных печей, работающих при температуре до 650 °С. Вы­сокохромистые чугуны, например ЖЧХ-30 (28—30 % Сг), применяют для изготовления горелок, фурм, колос­никовых решеток, коробов для отжига, работающих при температурах до 900 °С.

Кремнистые чугуны изготовляют с пластинчатым и ша­ровидным графитом. Детали из этих чугунов работают без повышенного окалинообразования и роста при темпера­турах 800—900 °С. Из них отливают детали арматуры мартеновских печей, детали котлов, реторты, детали газовых турбин.

Алюминиевые чугуны обладают большой окалиностойкостью и сопротивлением к окислению. Их изготовляют с пластинчатым и шаровидным графитом. Эти чугуны могут быть легированы кремнием, никелем, хромом и медью для повышения окалино- и износостойкости. Алю­миниевые чугуны обладают -высокой эксплуатационной стойкостью в среде печных газов при температуре 1100— 1150 °С, в среде перегретых паров серы и сернистых газов при температуре 1000 °С. Их применяют для шла­ковых фурм доменных печей, плавильных тиглей, для футеровки камер сгорания.

Коррозионно-стойкие чугуны легируют хромом, нике­лем, медью, молибденом и кремнием. Эти чугуны стойки в щелочах, растворах соды, морской воде. Чугуны СЧЩ-1 и СЧЩ-2 применяют при изготовлении котлов для плавки каустика. Чугуны ЧНХТ, ЧН1Х/ЧД, ЧН1МШ применяют в двигателестроении для отливки поршневых колец, направляющих втулок, головок цилиндров, выпускных патрубков, поршней и гильз паровых машин, судовых дизелей, газокомпрессоров и других деталей.

Высококремнистые чугуны (ферросилиды) применяют для поршневых насосов (цилиндры, поршни, клапаны, седла), для оборудования по производству концентриро­ванных серной и азотной кислот (лопатки мешалок, фи­тинги, втулки, реакционные аппараты, трубопроводы). Высокохромистые сплавы обладают коррозионной стой­костью в азотной, серной, уксусной, фосфорной кислотах, в растворах солей, щелочей и морской воде. Из этих чугунов изготовляют детали насосов, реторты, конденсаторы, вентили, трубы, мешалки для химической промышлен­ности.

Жаропрочные чугуны легируют хромом и никелем, они могут иметь пластинчатую -или шаровидную формы графита; металлическая основа чаще бывает аустенитной. Чугуны ЧН19ХЗШ, ЧН11Г7Х2Ш применяют в нефтяной и химической промышленности, в газотурбиностроении для изготовления деталей компрессоров по сжижению газов, выпускных патрубков дизелей.

Немагнитные коррозионно-стойкие аустенитные чу­гуны, аустенитная основа которых сохраняется при поло­жительной и отрицательной температурах, получают ле­гированием высокопрочных и серых чугунов никелем в количествах более 12 % или марганцем в количествах более 9 %. Форма графита этих чугунов может быть пластинчатая и шаровидная. Кроме никеля и марганца аустенитные чугуны легируют хромом, медью, молибде­ном. Для снижения стоимости чугуна никель частично заменяют марганцем. Аустенитные слабомагнитные чу­гуны применяют в электротехнической промышленности и приборостроении. Как жаростойкие, коррозионно- и износостойкие чугуны применяют в химическом машино­строении, двигателёстроении (седла клапанов, выпускные патрубки, гильзы цилиндров, втулки направляющие), в турбостроении, для деталей насосов, перекачивающих щелочи, кислоты, морскую воду, для деталей, работающих при тепловых ударах.

Легированные чугуны

В зависимости от назначения различают износостой­кие, антифрикционные, жаростойкие и коррозионно - стойкие легированные чугуны,

Химический состав, механические свойства при нор­мальных температурах и рекомендуемые виды термичес­кой обработки легированных чугунов регламентируют­ся ГОСТ 7769-82. В обозначении марок легированных чугунов буквы и цифры, соответствующие содержанию легирующих элементов, те же, что и в марках стали.

Износостойкие чугуны, легированные никелем (до 5 %) и хромом (0,8 %), применяют для изготовления де­талей, работающих в абразивных средах. Чугуны (до 0,6 % Сг и 2,5 % Ni) с добавлением титана, меди, вана­дия, молибдена обладают повышенной износостойкос­тью в условиях трения без смазочного материала. Их используют для изготовления тормозных барабанов автомобилей, дисков сцепления, гильз цилиндров и др.

Жаростойкие легированные чугуны ЧХ 2, ЧХ 3 при­меняют для изготовления деталей контактных аппаратов химического оборудования, турбокомпрессоров, эксплу­атируемых при температуре 600°С (ЧХ 2) и 700°С (ЧХ 3).

Жаропрочные легированные ЧНПГ7Х2Ш с шаровидным графитом работоспособны при темпера­турах 500—600°С и применяются для изготовления де­талей дизелей, компрессоров и др.

Коррозионно-стойкие легированные чугуны марок ЧХ 1, ЧНХТ, ЧНХМД, ЧН2Х (низколегированные) об­ладают повышенной коррозионной стойкостью в газо­вой, воздушной и щелочной средах. Их применяют для изготовления деталей узлов трения, работающих при по­вышенных температурах (поршневых колец, блоков и головок цилиндров двигателей внутреннего сгорания, деталей дизелей, компрессоров и т. д.).

Антифрикционные чугуны используются в качестве подшипниковых сплавов, так как представляют группу специальных сплавов, структура которых удовлетворя­ет правилу Шарпи (включения твердой фазы в мягкой основе), способных работать в условиях трения как под­шипники скольжения.

Для легирования антифрикционных чугунов исполь­зуют хром, медь, никель, титан.

ГОСТ 1585-85 включает шесть марок антифрикцион­ного серого чугуна (АЧС-1 — АЧС-6) с пластинчатым графитом, две марки высокопрочного (АЧВ-1, АЧВ-2) и две марки ковкого (АЧК-1, АЧК-2) чугунов. Этим стандартом регламентируются химический состав, структура, режимы работы, в нем также содержатся ре­комендации по применению антифрикционных чугу­нов.