Влияние химического состава на структуру и свойства чугунных отливок

Влияние примесей на свойства чугунов

Промышленное значение имеет чугун с содержанием угле­рода от 2 до 4,3 % •

Углерод, являющийся важной составляющей, может нахо­диться в чугуне в двух состояниях: в связанном с железом в виде цементита, в свободном в виде пластинчатого графита.

В чугуне содержатся также постоянные примеси кремния, марганца, серы и фосфора.

Кремний увеличивает жидкотекучесть, способствует разло­жению цементита (с выделением углерода в виде графита) и получению серого чугуна. В белом чугуне кремния содержится не более 2 %, а в сером от 1 до 4 %.

Марганец препятствует графитизации, образуя с углеродом карбиды Мп3С, способствует получению белого чугуна. По­этому в белых чугунах марганца содержится от 1 до 3 %, а в серых не более 1,3 %

Сера является вредной примесью. Она понижает прочность, увеличивает хрупкость, ухудшает литейные свойства чугуна, так как придает ему пузырчатость и густотекучесть. Повышен­ное содержание серы вызывает красноломкость. Сера перехо­дит в чугун в основном из топлива и в небольших количествах из руды. В чугуне серы должно быть не более 0,08%.

Фосфор понижает прочность и увеличивает хрупкость чу­гуна. Повышенное содержание фосфора вызывает хладнолом­кость металла. Содержание фосфора в чугунах, предназначен­ных для изготовления ответственных отливок, должно быть не более 0,2%. Одновременно фосфор улучшает литейные свой­ства чугуна, так как уменьшает усадку и увеличивает жидко­текучесть металла, а следовательно, способствует лучшему за­полнению формы. Это позволяет получить из чугуна с повы­шенным содержанием фосфора тонкие отливки с чистой и гладкой поверхностью, что очень важно для художественного литья.

Белый и серый чугуны

Выплавленный в доменных печах чугун в зависимости от вида содержащегося углерода делится на белый , (передель­ный) и серый (литейный). Белым {передельным)

называется чугун, в котором угле­род находится в виде цементита, он имеет в изломе белый цвет (поэтому его называют белым), обладает высокой твер­достью и хрупкостью, не поддается механической обра­ботке.
Серым, (литейным)
называется чугун, в котором углерод находится в виде пластинчатого графита, он имеет в изломе серый цвет (поэтому его называют серым), обладает меньшей твердостью и хрупкостью, чем белый чугун, поддается механи­ческой обработке.

Белый чугун составляет около 80 % всех выплавляемых чугунов и идет в основном для переделки в сталь. По назначе­нию он делится на три класса: мартеновский, предназнача­ется для переделки в сталь в мартеновских печах, бессеме­ровский— для переделки в сталь в бессемеровских конвер­терах, томасовский переплавляют в сталь в томасовских конвертерах.

Серый чугун хорошо сопротивляется сжимающим нагруз­кам, нечувствителен к поверхностным дефектам и удовлетвори­тельно сопротивляется усталостному разрушению, но из-за низкой пластичности и ударной вязкости его использование в качестве конструкционного материала ограничено.

В соответствии с ГОСТ 1412—79 различают следующие марки серого чугуна: СЧ00, СЧ12-28, СЧ15-32, СЧ18-36, СЧ21-40, СЧ24-44, СЧ28-48, СЧ32-52, СЧ36-56, СЧ40-60, СЧ44-64.

Буквы в марке обозначают серый чугун, две первые циф­ры—-предел прочности на растяжение (кгс/мм2), две послед­ние цифры — предел прочности при изгибе (кгс/мм2). В марке СЧ00 показатели прочности и твердости не определяются.

Механические свойства серого чугуна приведены в табл.12.

Все серые чугуны по содержанию фосфора делятся на гематитовые, обыкновенные и фосфористые.

Гематитовые чугуны выплавляются из чистых гематитовых руд, содержащих незначительное количество вредных примесей. Они содержат не более 0,1 % фосфора и применя­ются для ответственного литья.

Обыкновенные чугуны содержат до 0,3% фосфора и используются для менее ответственного литья, чем гематитовые.

Фосфористые чугуны содержат до 1,2% фосфора и применяются для литья, требующего тонкой, чистой и гладкой поверхности.

В судостроении из серого чугуна изготовляют гребные винты, дейдвудные трубы, детали арматуры, кнехты, киповые планки, роульсы и т. п.

Разновидностью серого чугуна является ковкий чугун. Это условное название более мягкого и вязкого чугуна, чем серый, получаемого из белого чугуна в результате длительного от­жига. Ковкий чугун, как и другие чугуны, не куется. Суще­ствуют следующие марки ковкого чугуна по ГОСТ 1215—79: КЧЗО-6, КЧЗЗ-8, КЧ35-10, КЧ37-12, КЧ45-6, КЧ50-4, КЧ56-4, КЧ60-3 и КЧ63-2.
Буквы в марке означают сокращенное название ковкий чу­гун, две первые цифры — предел прочности на растяжение (кгс/мм2), одна или две последние цифры — относительное удлинение (%).

Ковкий чугун обладает хорошими механическими свой­ствами и высокой стойкостью к коррозии. В судостроении из него изготовляют малонапряженные детали судового оборудо­вания, дельные вещи и арматуру (детали клапанов и задви­жек, иллюминаторы, дверные ручки и т. п.).

Модифицированный чугун получают путем введе­ния в жидкий серый чугун перед разливкой специальных эле­ментов, называемых модификаторами, например алюминия, кремния, кальция и др. Они увеличивают количество центров кристаллизации и, следовательно, измельчают графит. . По­этому модифицированный чугун имеет повышенную прочность, лучшую стойкость против образования трещин и меньшую . хрупкость, чем обычные серые. Все высшие марки серого чу­гуна, начиная с СЧ28-48, получают методом модифицирования.

Высокопрочным называется серый чугун, содержащий шаровидный графит. Его получают введением в серый чугун магния, церия и висмута. Добавка их в расплавленный серый чугун, содержащий пластинчатый графит, превращает его в шаровидный. Высокопрочный чугун имеет более высокие ме­ханические свойства, чем обычный серый, модифицированный и ковкий чугуны, а также среднеуглеродистая сталь (табл. 13). В настоящее время выплавляют следующие марки высоко­прочного чугуна по ГОСТ 7293—79: ВЧ38-17, ВЧ42-12, ВЧ45-5, ВЧ50-2, ВЧ60-2, ВЧ70-3, ВЧ80-3, ВЧ100-4 и ВЧ120-4.
Буквы обозначают высокопрочный чугун, первые две циф­ры— предел прочности на растяжение (кгс/мм2), последние одна или две цифры — относительное удлинение (%).

В судостроении высокопрочные чугуны широко применяют вместо ковкого чугуна и среднеуглеродистой стали. Из них изготовляют различные судовые устройства, механизмы, дель­ные вещи и т. д. Наиболее распространен магниевый чугун, обладающий высокими механическими свойствами, что позво­ляет использовать его вместо ковкого чугуна при изготовлении ответственных деталей машин: коленчатых валов, картеров, шатунов и т. п., а также грузовых, зачистных, обогревающих и охлаждающих трубопроводов, дейдвудных труб, винтов регу­лируемого шага (ВРШ) и т. п.

Легированные чугуны

Легированными

называются чугуны, в которые введены ле­гирующие (облагораживающие) примеси, например хром, ва­надий, молибден, никель, титан и др.

Легирующие элементы повышают прочность, твердость, из­носостойкость, коррозионную стойкость и другие механические, технологические и химические свойства чугунов.

Все легированные чугуны в зависимости от суммарного со­держания легирующих элементов делятся на низколегирован­ные (до 2,5% легирующих элементов), среднелегированные (от 2,5 до 10%) и высоколегированные (свыше 10%).

Разновидности легированных чугунов имеют разные марки. Входящие в марку легирующие элементы обозначают буквами: Н—никель, X — хром, М — молибден, Т — титан, К — кобальт, В — вольфрам, Б — ниобий, Г — марганец, С — кремний, Ф — ванадий, Ю — алюминий, Д — медь. Цифры, стоящие после букв, указывают среднее содержание легирующих элементов в процентах. Если цифры нет, то данного легирующего эле­мента содержится около 1 %. Например, марка ЧН15Д7Х означает, что это высоколегированный чугун, в котором содер­жится никеля—15%, меди — 7% и хрома — около 1 %.

Изготовление легированных чугунов, обладающих целым рядом ценных свойств, относительно недорого, и поэтому об­ласть их применения непрерывно расширяется.

В зависимости от свойств легированные чугуны делятся на износостойкие, коррозионно-стойкие (нержавеющие), жаро­стойкие и др.

Износостойкими называются чугуны, обладающие вы­соким сопротивлением износу (истиранию), которое возникает при трении поверхностей, находящихся под нагрузкой. К изно­состойким чугунам относятся антифрикционные и фрикционные чугуны.

Антифрикционными называются износостойкие чу­гуны, обладающие низким коэффициентом трения. Из них из­готовляют детали, работающие в условиях трения скольжения: подшипники скольжения и их вкладыши, грундбуксы, саль­ники и другие подобные детали.

Антифрикционные чугуны имеют марки по ГОСТ 1585—79: АЧС-1, АЧС-2, АЧС-3, АЧС-4, АЧС-5, АЧС-6, АЧК-1, АЧК-2, АЧВ-1, АЧВ-2 и др.

Буквы АЧ означают антифрикционный чугун, а буквы С, К и В — базовый чугун (серый, ковкий и высокопрочный), на основе которого он получен. Цифра — условный номер.

Кроме перечисленных марок применяют специальный ан­тифрикционный пористый чугун марки АПЧ, получаемый вве­дением в расплавленный чугун при его выплавке свинца, фос­фора и углекислого калия (поташа). В результате затвердевший чугун становится пористым, что улучшает его антифрик­ционные свойства.

В качестве антифрикционных чугунов применяют также медистый чугун марок ЧМ-1,3, ЧМ-1,8 и др., в которых цифра указывает на содержание меди в процентах. Эти чугуны имеют хорошие антифрикционные свойства и выдерживают большие нагрузки.

Фрикционными называются износостойкие чугуны, имеющие высокий коэффициент трения. Из них делают тор­мозные устройства различных механизмов:

Все большее распространение в судостроении получают коррозионнно-стойкие чугуны (ГОСТ 11849—76), так как даже обычные чугуны обладают более высокой коррози­онной стойкостью в атмосфере и морской воде, чем углероди­стые стали. Вводя в чугун более 12 % хрома и снижая содер­жание углерода, получают нержавеющий чугун. Высокой кор­розионной стойкостью в агрессивных средах, стойкостью к кавитации и износу в пароводяных средах обладают коррози-онно-стойкие чугуны марок ЧНХТ,ЧН1ХМД, ЧН15Д7Х2 и др.

Жаростойкими называются чугуны, стойкие против окисления и сохраняющие механические свойства при высоких температурах нагрева (свыше 750 К).

Многие высоколегированные жаростойкие чугуны являются одновременно и коррозионно-стойкими. Детали, работающие при высокой температуре нагрева без больших нагрузок, вы­годнее изготовлять из жаростойких чугунов, чем из жаростой­ких сталей, так как стоимость их получения меньше.

В марках жаростойких чугунов (ГОСТ 7769—75) буквы ЖЧ обозначают жаростойкий чугун, последующие буквы обозна­чают легирующие элементы, а цифры.—среднее содержание ле­гирующих элементов в процентах. Например, ЖЧНДХ-15-7-2 — это жаростойкий чугун, содержит никеля 15%, меди 7% и хрома 2 %, а остальное железо, углерод и другие примеси.

Существуют жаростойкие алюминиевые чугуны — чугаль и пирофераль. Они содержат большое количество алюминия и модифицированы магнием для получения шаровидного гра­фита, коррозионно-стойки.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что называется чугуном?

2. Какое влияние на свойства чугуна оказывают углерод, кремний, мар­ганец, сера и фосфор?

3. Почему чугун для художественного литья должен иметь повышенное содержание фосфора?

4. Как делятся белые (передельные) чугуны и где их применяют?

5. Как делятся серые чугуны и где их применяют?

6. Почему одна из разновидностей серого чугуна получила название «ковкий чугун»?

7. Какими особыми свойствами обладают легированные чугуны?

Задание

Расшифруйте марки: СЧ32-52, КЧ50-4, ВЧ45-5, АЧС-2, АЧВ-1, АЧК-1, ЧМ-1,3, АПЧ, ЧН15Д7Х2, ЖЧС-5,5. Укажите области применения этих чу-гунов.

ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

Производственные технологии

Как известно, чугун производится в специальных доменных печах. Основным сырьем для его получения служит железная руда. Технологический процесс изготовления состоит в восстановлении оксидов железной руды и получении в результате этого иного материала — чугуна. Для его изготовления используются такие виды топлива, как кокс, термоантрацит, природный газ.

Для производства одной тонны чугуна требуется около 550 килограмм кокса и приблизительно тонна воды. Объемы загружаемой в печь руды будут зависеть от содержания в ней железа. Как правило используют руду, в составе которой содержится железа не менее 70%. Все дело в том, что экономически нецелесообразно использовать меньшую его концентрацию.

Первым этапом производства чугуна является его выплавка. В доменную печь засыпается руда, а затем — коксующийся уголь, который необходим для нагнетания и поддержания требуемой температуры внутри шахты печи. Эти составляющие во время горения принимают активное участие в протекающих химических реакциях в качестве восстановителей железа.

Тем временем в печь погружается флюс, который выступает в роли катализатора. Ускоряя плавку пород, он тем самым поддерживает скорейшее высвобождение железа. Немаловажно знать, что перед загрузкой в печь руда проходит необходимую предварительную обработку. Она измельчается на дробильной установке, поскольку более мелкие частицы плавятся быстрее. Затем ее промывают, чтобы удалить частицы, не содержащие металл. Далее сырье подвергается обжигу, вследствие чего из него извлекается сера и другие инородные компоненты.

На втором этапе производства в заполненную и готовую к эксплуатации печь подается через специальные горелки природный газ. Кокс участвует в разогреве сырья. Происходит выделение углерода, который, соединяясь с кислородом, образует оксид. Он, в свою очередь, способствует восстановлению железа из руды.

При увеличении объема газа в печи снижается скорость протекания химической реакции. Она может и совсем остановиться при достижении определённого соотношения газа. Углерод проникает в сплав и соединяется с железом, при этом образуя чугун. Нерасплавленные элементы остаются на поверхности и вскоре удаляются. Такие отходы называются шлаком. Его используют для изготовления других материалов.

Первый этап производства

Выплавка чугуна происходит следующим образом. В первую очередь в печь засыпают руду, а также коксующиеся марки угля, которые служат для нагнетания и поддержания требуемой температуры внутри шахты печи. Помимо этого, эти продукты в процессе горения активно принимают участие в протекающих химических реакциях в роли восстановителей железа.

Параллельно в печь отгружается флюс, служащий в качестве катализатора. Он помогает породам быстрее расплавляться, что содействует скорейшему высвобождению железа.

Важно заметить, что руда перед загрузкой в печь подвергается специальной предварительной обработке. Ее измельчают на дробильной установке (мелкие частицы быстрее плавятся). После она промывается с целью удаления частиц, не содержащих металл. После чего сырье обжигают, за счет этого из него удаляется сера и прочие чужеродные элементы.

Второй этап производства

В загруженную и готовую к эксплуатации печь подают природный газ через специальные горелки. Кокс разогревает сырье. При этом выделяется углерод, который соединяется с кислородом и образует оксид. Этот оксид впоследствии принимает участие в восстановлении железа из руды. Отметим, что с увеличением количества газа в печи скорость протекания химической реакции снижается, а при достижении определённого соотношения и вовсе останавливается.

Избыток углерода проникает в расплав и входит в соединение с железом, формируя в конечном счете чугун. Все те элементы, которые не расплавились, оказываются на поверхности и в итоге удаляются. Эти отходы именуют шлаком. Его также можно использовать для производства других материалов. Виды чугуна, получаемые таким образом, называются литейным и передельным.