Белые чугуны, легированные хромом

Белые чугуны, легированные хромом

Министерство науки и образования Украины

Национальная металлургическая академия Украины

Научно-исследовательская работа

Белые чугуны, легированные хромом

Выполнил: студент группы МВ 02-09

Четвериков А.Д.

Проверила: Ионова Л.Ю.

Днепропетровск - 2014

Оглавление

Вступление

1. Маркировка, химические состав и механические свойства основных хромистых чугунов

2.       Стойкость чугунов в коррозии

.        Литая структура чугунов с карбидами типа М₃С, М₇С₂. Строение евтектик белых износостойких чугунов

.        Применение деталей из белых износостойких чугунов

Литература

Введение

Белые хромистые чугуны широко применяются во многих отраслях промышленности при добыче и обогащении разных руд, угля, цементного сырья, камня, песка и др.

Легирование хромом придает чугунам высокую абразивную стойкость благодаря присутствию в структуре карбидной составляющей, а также коррозионную стойкость за счет легирования металлической основы, жаростойкость вследствие повышения электрохимического потенциала металлической основы и создания на поверхности отливок прочной нейтральной оксидной пленки, жаропрочность и т.п.

Традиционно такие чугуны относили к хрупким материалам, что существенно ограничивало области его использования. Однако достигнутые в последние годы успехи в области легирования, модифицирования и термической обработки значительно меняют наши представления об их свойствах и возможных сферах применения.

Все более широко хромистый чугун применяют как материал для деталей машин и механизмов, подвергающихся интенсивному изнашиванию, окислению и коррозии.

Применение белых износостойких чугунов взамен углеродистой стали 110Г13Л и других материалов позволило в 3-10 раз увеличить срок службы быстро изнашиваемых деталей.

Параметры затвердевания белых легированных чугунов влияют на эксплуатационные свойства в значительно большей степени, чем в других литейных сплавах. Поэтому определение рациональных технологических приемов изготовления отливок из белых износостойких чугунов по существу имеет столь же важное значение, что и выбор состава сплава.

Высокая износостойкость в условиях абразивного изнашивания в нейтральной среде обеспечивается, если карбидная фаза белого чугуна характеризуется: максимальным количеством карбидов высокой твердости, превосходящей твердость абразива; равномерным распределением разветвленной карбидной фазы в металлической матрице (желательно максимальное количество эвтевтики); ориентировкой карбидов, их максимальным размерами (как правило, не допустимы заэвтектические карбиды).

Металлическая основа должна удовлетворять следующим требованиям: максимально прочно удерживать карбиды в условиях нагружения абразивными зернами; обеспечивать минимальные деформации, чтобы не допустить расстрескование и выкрашивание карбидов; размеры участков основы между карбидами должны быть достаточно малы, чтобы свести к минимуму избирательный износ основы абразивом, оголении карбидов, их вымывание или обламывание.

Специфические свойства современных белых чугунов в литом состоянии в большинстве случаев определяются наличием карбидной фазы. Наиболее высокие свойства обеспечиваются наличием специальных карбидов Ме7Сз и Ме2зС6, которые образуются при высоких содержаниях хрома и/или при существенных добавках дополнительных легирующих элементов (марганца, ванадия, молибдена и др.). Однако выпуск деталей из этих материалов ограничен из-за дороговизны и дефицитности легирующих элементов (Сг, N1, V, Мо и др.), входящих в состав лучших отечественных и зарубежных марок хромистых чугунов. В связи с этим поиск более дешевых методов получения сплавов, которые могут обеспечить необходимое сочетание высокой износостойкости и твердости, жаростойкости наряду с удовлетворительной прочностью, пластичностью и ударной вязкостью, является весьма актуальным.

Хром - это элемент, способствующий сильному отбеливанию чугуна. Он уменьшает растворимость углерода в а- и у-железе, увеличивает степень устойчивости твердого раствора и количество эвтектической составляющей. В чугунах даже при небольшом содержании хрома образуется карбидная фаза цементитного типа, обогащенная хромом.

Структура белых чугунов с высоким содержанием хрома состоит из разобщенных тригональных карбидов (Сг, Fе)₇С₃, поэтому чугуны такого типа обладают значительно большей вязкостью, чем низколегированные с карбидами (Fе, Сг)₃С, образующими непрерывную карбидную фазу.

1. Маркировка, химические состав и механические свойства основных хромистых чугунов

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.

Таблица 1

Химический состав основных легирующих элементов

Как правило, отливки из белых чугунов закаливаются на воздухе для получения максимальной износостойкости. Поэтому прокаливаемость является характеристикой белого чугуна. Она не только определяет возможность получения мартенситной структуры в детали необходимой толщины, но и является технологическим показателем возможности охлаждения на воздухе больших садок деталей, что упрощает процесс закалки.

. Стойкость чугунов в коррозии

Хромистые чугуны обладают высокой коррозионной стойкостью в окислительных средах. В холодной азотной кислоте, как в разбавленной, так и в концентрированной, хромистые чугуны стойки. В концентрированной горячей кислоте коррозионная стойкость хромистых чугунов значительно ниже стойкости стали типа Х18Н9. Они также отличаются стойкостью к некоторым расплавленным металлам (алюминий, свинец).

В серной кислоте хромистые чугуны стойки только при концентрации ее выше 62% и особых преимуществ перед серым чугуном не имеют. В соляной кислоте хромистые чугуны разрушаются.

Высокохромистые чугуны не разрушаются при действии окислительных газовых сред при температуре 1000°С и выше. Поэтому высокохромистые чугуны применяют для изготовления деталей обжиговых печей, топок, лопастей, гребков, частей барабанных сушилок, реторт, плавильных горшков и т.п.

Хромистые чугуны отличаются высокой коррозионной стойкостью в окислительных средах, а также в холодной разбавленной и концентрированной азотной кислоте.

Таблица 2

Коррозионная стойкость хромистых чугунов (по сравнения со стойкостью стали типа 18-8)

В кипящей азотной кислоте хромистый чугун достаточно стоек до концентрации 50%; в концентрированной кислоте (66%) его стойкость значительно ниже, чем стали типа 18-8 (табл. 2).

В разбавленной серной кислоте хромистый чугун очень сильно разрушается, в концентрированной (выше 62%) обладает высокой коррозионной стойкостью.

В 70%-ной фосфорной кислоте, в нитрозилсерной кислоте, в синтетической морской воде и ряде других сред хромистый чугун достаточно стоек против коррозии.

механический коррозия хромистый чугун

3. Литая структура чугунов с карбидами типа М₃С, М₇С₂. Строение эвтектик белых износостойких чугунов

Структура белых перлитных чугунов состоит из карбидов и перлита. При введении в состав белых чугунов определенных легирующих элементов (Ni, Mo, Мп) перлитное превращение аустенита подавляется. После охлаждения аустенит в этих легированных чугунах частично превращается в мартенсит, а частично сохраняется в структуре. Такие структуры образуют основу мартенситных чугунов.

Влияние легирующих элементов на свойства белых чугунов весьма велико. Легирующие элементы в значительной мере определяют тип карбидов и металлическую основу белых чугунов.

Свойства сплавов Fe-Сr-С обусловливаются двумя важными особенностями хрома как легирующего элемента - ограничением у-области и образованием карбидов.

Высокое сродство хрома к углероду обусловливает образование в структуре хромистых сталей не только карбидов цементитного типа, но и более устойчивых специальных карбидов хрома. При относительно малых содержаниях хрома в сталях образуется карбид железа - цементит (Fe₃C), в котором может быть растворено до 18-20% Сr. В высокохромистых сплавах образуются специальные карбиды хрома (Сr, Fe)₇C₃ и (Сr, Fe)₄C. Тригональный карбид хрома (Сr, Fe)₇C₃ растворяет от 30 до 50%, а кубический карбид (Сr, Fe)₄C - до 35% Fe.

Из диаграммы системы Fe-Сr-С видно, что чем больше в сплаве углерода, тем при более высоких концентрациях хрома образуются карбиды (Cr, Fe)₇C₃ и (Cr, Fe)₄C. Чтобы исключить образование карбида цементитного типа (Fe, Сr)₃С при содержании менее 1% С достаточно 5-6% Сr, а при 2% С нужно не менее 17-18% Сr.

Влияние хрома на превращения в сплавах Fe-Сr-С видно из псевдобинарных диаграмм состояния  Fe-С при 5, 13, 25% Сr.

В связи с уменьшением растворимости углерода в аустените под влиянием легирования хромом линия предельной растворимости карбидов в аустените, а вместе с ней эвтектоидная точка сдвигаются влево, в сторону меньших концентраций углерода, у-область в сталях под влиянием хрома сужается, но поскольку углерод, образуя карбиды, выводит хром из твердого раствора, для полного исключения аустенита в структуре сплава Fe-Сr-С требуется тем больше хрома, чем больше углерода в сплаве. Так, полное исчезновение у-области в стали с 1%С происходит при содержании хрома, превышающем 30%, тогда как в безуглеродистых сплавах Fe-Сг достаточно 12% Сr, чтобы получить чисто ферритную структуру. С увеличением содержания хрома эвтектическая точка сдвигается влево.

Перлитные чугуны с карбидами М₃С. Наличие в структуре чугунов карбидов делает их более износостойкими, чем конструкционные стали. Сравнительно мягкая перлитная металлическая основа и цементит делают эти сплавы наименее износостойкими из всех белых чугунов.

Мартенситные чугуны с карбидами М₃С. К материалам с более высокими характеристиками износостойкости, чем у белого перлитного чугуна, относится нихард (3-5% Ni, 1,5-2,5% Сr), в 1,5-2,5 раза более износостойкий, чем белый перлитный чугун.

В литом состоянии нихард имеет мартенситную матрицу с участками остаточного аустенита или бейнита и сложные доэвтектические и эвтектические карбиды железа и хрома. Мартенситная структура матрицы литого нихарда обусловлена наличием никеля и хрома. Однако низкая температура конца мартенситного превращения приводит к тому, что в микроструктуре металлической основы наряду с мартенситом имеется остаточный аустенит.

В таблице 3 приведены составы наиболее распространенных чугунов "нихарда". Состав сплава выбирается в зависимости от назначения детали и условий ее работы. Так, для работы в условиях интенсивного абразивного износа, где ударные нагрузки невелики, применяется высокоуглеродистый чугун нихард-1.

Таблица 3

Химический состав чугунов

Чугун с низким содержанием углерода нихард-2 характеризуется меньшей износостойкостью, но более прочен, чем высокоуглеродистый нихард-1 [43].

Для получения мартенситной структуры в деталях с массивными сечениями необходимо повысить содержание никеля, при этом возрастает опасность появления в структуре графита. Поэтому для отливок применяют одну из разновидностей нихарда - сплав 3-2-1 [85], отличающийся более низким содержанием никеля (1,5-3,25%) и наличием 0.4-1.1% Мо. Этот сплав по сравнению с другими распространенными никель-хромовыми белыми чугунами обладает более высокой износостойкостью, лучшими механическими и эксплуатационными свойствами. Молибден так же, как и никель, подавляет образование перлита при охлаждении в форме, но в отличие от никеля не является графитизатором. Уменьшение содержания никеля снижает склонность к образованию графита в толстостенных деталях и, кроме того, повышает износостойкость остаточного аустенита, который при износе превращается в более твердый и, следовательно, более износостойкий мартенсит.

Был создан сплав, в котором в целях экономии никеля часть его заменена медью. Комбинация из 1,5% Сu, 3,5% Ni и 2 % Сr обеспечивает свойства, близкие свойствам стандартных составов нихарда: 4% Ni и 2% Сr [126]. Однако в [43] указывается, что применение нихарда с медью вызывает осложнение в производстве, так как возможно появление неоднородности в структуре, а также опасности увеличения содержания меди в возврате.

Для нихарда рекомендуется сравнительно низкое содержание кремния (0,3-0,5%), что вызвано влиянием на устойчивость аустенита - кремний сдвигает С-образные кривые влево в области перлитного превращения [43]. В тонкостенных отливках желательно повышать содержание кремния до 0,75%, если при этом не образуется свободный графит. Содержание марганца стремятся поддерживать на относительно низком уровне (0,3-0,7%), так как марганец вызывает образование очень устойчивого аустенита, который трудно превращается в мартенсит и бейнит при термической обработке и в процессе изнашивания, что снижает стойкость деталей.

Количество серы и фосфора в чугунах должно быть минимальным. При содержании фосфора более 0,25% повышается хрупкость. Сера также способствует понижению прочности отливок. Никель - основной элемент в нихарде. Он определяет твердость и прочность матрицы. Недостаточное содержание никеля приводит к образованию низкотемпературных продуктов распада аустенита-троостита или даже перлита, что резко снижает износостойкость сплава. Чрезмерное содержание никеля способствует появлению остаточного аустенита, также понижающего износостойкость.

Хром в нихарде выполняет три функции. Во-первых, стабилизирует карбид и подавляет графитизацию. Никель является графитизатором в нихарде, поэтому необходимо соблюдать соотношение никельхром. Во-вторых, хром способствует повышению твердости карбидов и, в-третьих, способствует стабилизации аустенита.

Белые чугуны с карбидами М₇С₃ и М₄С. Увеличение в белых чугунах содержания хрома выше 10% приводит к образованию в их структуре первичного карбида три тонального типа, имеющего формулу (Сr, Fe)₇C₃.

При кристаллизации аустенитной хромисто-карбидной эвтектики карбиды типа M₇С₃ в отличие от ледебурита с карбидами типа М₃С не образуют непрерывную фазу, а располагаются в виде изолированных тригональных карбидов в аустенитной основе.

Карбиды типа М₇С₃ более тверды и дисперсны, чем карбиды M₃С, что обеспечивает чугунам с карбидами первого типа более высокие износостойкость и прочность. Микротвердость карбидов (Сг, Fe)₇C₃ составляет 1200-1500 Нц, что значительно превышает микротвердость кварца (-1000 Нц), тогда как твердость карбидов цементного типа Fe₃C или (Fe, Сr)₃С близка к микротвердости кварца и составляет 800-1100 Нц. Отсюда становится объяснимой высокая износостойкость высокохромистых чугунов в условиях эксплуатации.

Как правило, применяют доэвтектические и эвтектические чугуны, так как в заэвтектических чугунах при кристаллизации образуются крупные иглообразные карбиды, снижающие износостойкость и, особенно, прочность отливок. Поэтому необходимо так подбирать химический состав сплава, чтобы он не был заэвтектическим. При содержании в чугунах 12-18% Сr сплавы, содержащие более 3,6% С, становятся заэвтектическими.

При содержании хрома в пределах 25-30% и около 2,7% С подавление перлитного превращения обеспечивается без добавки других легирующих элементов только в тонкостенных отливках.

При содержании в чугуне около 34% Сг и 1,5-2,2% С металлическая основа состоит из феррита, что приводит к сравнительно низкой износостойкости этого сплава в абразивных средах. Этот сплав обладает хорошей коррозионной стойкостью в окислительных средах (азотная, крепкая серная, уксусная, фосфорная, органические кислоты) и в щелочах, растворах солей, морской воде, обычной атмосфере и в сернистых газах. Высокохромистый чугун не стоек в соляной кислоте и в разбавленной серной. Этот чугун обладает хорошей жаростойкостью при r < 1200°С.

В 30-с годы наряду с перлитным белым чугуном начали применять износостойкие Ni-Сг-мартеаситные чугуны, объединяемые названием нихард. Состав нихарда сбалансирован так, что углерод связан в карбидах М₃С, а металлическая основа уже в литом состоянии представляет мартенсит с остаточным аустенитном (микротвердость около НV 600) (рис. 23, а). Подавление графитизации осуществляется за счет легирования хромом, образование мартенсита - за счет легирования никелем. Баланс С, Si и Сг с учетом графитизирующего влияния никеля и толщины отливки должен гарантировать отсутствие пластинок свободного графита, который сильно снижает вязкость, твердость и износостойкость.

Марки нихарда с повышенным содержанием углерода (ни-хард-1) предназначены для отливок, испытывающих минимальные динамические нагрузки при эксплуатации. Увеличенное количество карбидов (около 50%) обеспечивает повышенную износостойкость. Нихард-2 имеет пониженное содержание углерода и применяется в условиях, когда уровень нагрузок на деталь выше.

Избыточное содержание никеля приводит к большому количеству остаточного аустенита; при недостатке никеля может иметь место перлитная структура основы, особенно в отливках с массивными сечениями. Перлит в структуре основы нихарда снижает не только износостойкость, но также вязкость и стойкость против ударного разрушения. Повышение содержания хрома приводит к охрупчиванию карбидной фазы, возможно, из-за более грубого строения ледебурита.

В США в 1977 г. было выпущено 68 тыс. т отливок из нихарда, значительную часть из них составили шары и мелющие тела для сухого помола клинкера, угля и красящих веществ. При сухом помоле клинкера расход шаров малого диаметра (до 50 мм), изготовленных из нихарда, в 4-5 раз меньше расхода шаров из кованой стали, при мокром измельчении в сырьевых мельницах цементного производства нихард имеет меньше преимуществ перед сталью. Причина - в абразивно-коррозионном характере износа при мокром измельчении мягкого абразива.

Термическая обработка нихарда, уменьшающая количество остаточного аустенита за счет превращения его в мартенсит или бейнит, резко повышает ударостойкость шаров.

Стремление повысить вязкость и износостойкость чугунов типа нихард привело к разработке марки нихард-4.

Чугуны типа нихард с карбидами М₃С уступают по износостойкости и технологическим свойствам Сг-чугунам с карбидами М7С3 из-за морфологических особенностей строения эвтектики ледебуритного типа и аустонитохромистокарбидной эвтектики, а также меньшей твердости цементита по сравнению с карбидами М7С3.

Нихард в сравнении с Сг-чугунами с карбидами М7С3 имеет и более низкие механические свойства, особенно вязкость разрушения.

Отливки из нихарда практически невозможно обработать лезвийным инструментом на металлорежущих станках. Ввиду высокой стабильности Ni-аустенита в перлитной области отжечь нихард с получением перлитных структур затруднительно, однако даже при перлитной структуре основы обрабатываемость остается весьма низкой из-за жесткого карбидного каркаса ледебуритной эвтектики. Нихард среди других типов белых износостойких чугунов имеет максимальную склонность к образованию горячих и холодных трещин и высоких остаточных напряжений в отливке.

Ограничения толщины стенки отливок по прокаливаемое для нихарда несущественны: достаточно небольшого увеличения содержания никеля для подавления образования перлита даже в массивных отливках толщиной 250 мм в песчаной форме.

Производство отливок из нихарда в основном осуществляется в металлических формах. Наиболее обширной областью применения нихарда остается производство шаров и мелющих тел, валков угле-размольных мельниц и наружного слоя литых двухслойных прокатных валков.

Чугуны тина нихард постепенно вытесняются на мировом рынке чугунами с карбидами М7С3, которые имеют более высокую износостойкость и вязкость, а также технологические достоинства, облегчающие производство деталей из них.

Преимущества в эксплуатационных и технологических свойствах чугунов с карбидами М7С3перед чугунами с карбидами М₃С.

Чугуны с высоким содержанием хрома (около 30%) первоначально использовались как жаро- и коррозионностойкие. Структура этих чугунов состоит из карбидов М7С3 и М23С6 (в зависимости от содержания углерода) и преимущественно ферритной металлической основы. Высокохромистые марки чугунов, даже легированные никелем (ИЧХ28Н2, ИЧ200ХЗЗНЗ н др.), содержат в структуре феррит, который резко понижает износостойкость в абразивных условиях.

Снижение хрома позволяет устранить феррит в литой структуре, однако прокаливаемость таких сплавав низка и значительно уступает прокаливаемое Сг-Мп- и Сг-Мо-чугунов.

4. Применение деталей из белых износостойких чугунов

Области применения деталей из белых износостойких чугунов охватывают практически все добывающие отрасли, энергетику, металлургию, строительно-дорожную технику - все оборудование, где абразивный износ определяет срок службы деталей (таб. 15) [17, 33, 50-541.

При добыче песка и гравия на р. Сакмара землесос с броне- дисками, изготовленными из чугуна ИЧ290Х12М, перекачивает 60 тыс. м3 грунта, а с бронедисками из стали Ст. 3 5 тыс. м3 (т.е. в 12 раз меньше). Насадки гидроциклона ГБ из этого чугуна при обогащении угля в магнетитовой суспензии на Жилевской обогатительной фабрике проработали 120 суток вместо 20 суток для насадок из стали 40ХЛ, закаленной до НГС 50.

Стендовые испытания колец торцовых уплотнений в угольной пыли показали, что на кольцах из чугуна ИЧ290Х12М после 930 ч работы поясок трения сместился на 0,8-1,0 мм, в то время как на кольцах из стали ШХ15 после 700 ч - на 2,5 мм, а на кольцах из сплава фирмы Са1егрШаг (около 3% С, 20% Сг, 15% Мо. 1% V, 0,2% Й) после 400 ч работы - на 0,5 мм.

Промышленные испытания трактора Т-330 с кольцами торцового уплотнения ходовой системы из чугуна ИЧЗООХ18ГД показали двукратное увеличение износостойкости по сравнению е кольцами аз стали ШХ15 [53].

Расход мелющих тел из кованой стали (НВ 400-500) при сухом помоле сырья в цементной мельнице составляет 100-150 г/т при диаметре мелющих тел 90-60 мм (первая камера измельчения) и 80-100 г/т при диаметре мелющих тел 50-20 мм (вторая и третья камеры). В тех же условиях работы расход мелющих тел из Сг-Мо износостойкого чугуна В/Чвг составляет 15-18 г/т в первой камере и 8-10 г/т во второй.

Таблица 4

Области применения деталей из белых износостойких чугунов

Таким образом, в условиях интенсивного абразивного изнашивания в нейтральной среде Сг-Мо чугуны в 7-12 раз превосходят по стойкости углеродистые стали.

Сг-Мо чугун ИЧ210Х12Г5 (ВУ-4) широко применяется для изготовления футеровок барабана стержневых и шаровых мельниц первой стадии измельчения руд цветных металлов диаметром до 2,7 м включительно, работающих со стержнями и шарами диаметром до 100-125 мм. Срок службы футеровок стержневых рудо-размольных мельниц МСЦ21Х30, МСЦ27Х36 в результате применения футеровок из чугуна ИЧ210Х12Г5 отлитых в кокиль, увеличился по сравнению со сроком службы футеровок из стали 110Г13Л в 2,0-2,5 раза. На шаровых рудо-размольных мельницах первой стадии измельчения МШЦ27х36 и МШР27х36 достигнуто увеличение срока службы футеровок из чугуна ИЧ210Х12Г5 в 1,6-2,0 раза по сравнению со сроком службы футеровок из сталей 110Г13Л, 100Х2ГЛ.

Испытания на мельницах МШР36х50 второй стадии измельчения железной руды показали, что срок службы футеровок из Сг-Мп чугунов типа ИЧ300Х12Г5 увеличился в 1,8-3,0 раза по сравнению со сроком службы футеровок из стали 110Г13Л.

Наиболее убедительно преимущество Сг-Мо чугунов перед сталью и многими другими материалами в условиях, где абразивный износ не осложняется коррозионной активностью пульпы и значительным ударным воздействием. Так, бронедиски рудоспусков из чугуна ИЧЗООХ12Г5 на каскаде дробильной фабрики при транспортировке железной руды на Соколовско-Сарбайском горно-обогатительном комбинате работают в б раз дольше, чем из стали 110ПЗЛ (7-12 месяцев вместо 1,5-2,5 месяцев); колена пульпопроводов из чугуна ИЧ300Х12Г5 системы гидротранспорта руды и породы на том же предприятии работают в 4-8 раз дольше, чем из стали 35Л. Бандажи валков и бронеплиты стола среднеходных угле-размольных мельниц МВС-140, изготовленные из чугуна ИЧ290Х13ГЗМ, при сухом помоле каменного угля изнашиваются в 9 раз медленнее, чем стальные с наплавкой Т-620, и в 2 раза медленнее, чем из нихарда. Защитные втулки пустотообразователей штампов для производства двухпустотного кирпича, изготовленные из чугуна ИЧ290Х15ГСФ, имеют срок службы в 10-15 раз больший, чем из стали 20Х с цементацией, которую чугун заменил при прессовании силикатной массы (Калининский комбинат строительных материалов).

Срок службы рабочих колес и бронедисков пескового насоса ВНП, изготовленных из чугуна ИЧЗООХ18ГЗ, работающих на транспортировке медной руды, увеличился по сравнению со сроком службы этих деталей из сплава ИЧ250Х25Т в 1,8 раза при отливке в песчано-глинистые формы и в 3-4 раза при отливке в кокиль.

Футеровки барабана шаровых мельниц МШР 32X45 (вторая и третья стадии измельчения медной руды, диаметр шаров 80- 50 мм), изготовленные из высокохромистого Сг-Мо чугуна ИЧ2ЮХЗОГЗ, работают 35-36 месяцев, в то время как срок службы футеровок из стали 110Г13Л на этих мельницах составляет 12- 15 месяцев. Изготовление из чугуна ИЧ2ЮХЗОГЗ насадок сушильных барабанов 2,8X14 м и 3,2x22 м для сушки пиритного, медного и цинкового концентрата (температура газов на входе 900, на выходе 100-150°С, влажность концентрата на входе 14%, на выходе 4%) позволило увеличить срок их службы на Башкирском медно-серном комбинате от года (сталь Ст. 3) до 2-3 лет. Применение на этом же комбинате из чугуна ИЧ2ЮХЗОГЗ рабочих колес Песковых насосов 8НП, 6НП, 5ПС-10, работающих на транспортировке медной руды, породы и концентрата, обеспечивало повышение срока службы насосов в 2,2-2,5 раза по сравнению с белым делегированным чугуном. Срок службы черпаков улиткового питателя шаровой мельницы МШР 27X36 после освоения выпуска их из чугуна ИЧ2ЮХЗОГЗ увеличился до 2 месяцев вместо 0,5 месяца (сталь 35Л с наплавкой ППАН-125).

Хорошие результаты дает применение абразивно-коррозионностойкого чугуна ИЧ190ХЗОГЗ для деталей проточной части насосов, работающих в системах гидрозолоудаления тепловых электростанций и в углеобогащении. Рабочие колеса из этого чугуна на багерном насосе 12ГР-8т (удаление шлака и золы в котле мощностью 300 МВт, размер кусков шлака до 50 мм) имеют срок службы 920-1200 ч; в этих же условиях применявшиеся ранее колеса из стали 25Л с наплавкой Т-590 работали 200-220 ч, а из чугуна ИЧХ28Н2 - 580-600 ч.

Сегменты шнековых сепараторов СШ-15, изготовленные из ИЧ2ЮХЗОГЗ (обогащение антрацита) изнашиваются в 100-130 раз медленнее, чем из стали 10ХСНД и в 10-13 раз медленнее, чем из чугунов ИЧ210Х12Г5, ИЧЗЗОХ18ГЗСМ, срок их службы превысил 10 тыс. ч. Импеллеры флот-машины МФУ-2-63 из ИЧ190Х30ГЭ имели темп износа в 5 раз ниже, чем из серого чугуна и более чем в 2 раза ниже, чем из ИЧХ14Г2Н (обогащение угля). Рабочие колеса шламового насоса ШН-270, изготовленные из ИЧ1ЭОХЗОГЗ, работают при перекачке магнетитовой суспензии (обогащение угля) в 8-10 раз дольше, чем из серого чугуна и в 3-3,5 раза дольше, чем из ИЧХ14Г2Н.

Испытания плунжеров из чугуна ИЧ190ХЭ0ГЗ на буровых насосах НБЗ-120/40 и НВ4-320/63 (закачивание глинистой эмульсии с содержанием песка 5-6% в разведочную скважину) показали, что срок службы плунжеров увеличился более чем в 3 раза по сравнению с плунжерами из стали 40Х с твердым хромированием.

Срок службы комбинированных футеровок (вставки из ИЧЗООХ18ГЗ) на барабане стержневых мельниц МСЦ 32x45 (первая стадия измельчения медной руды, диаметр стержней 120 мм) увеличился на Учалинском горно-обогатительном комбинате до 10-12 месяцев против 6 месяцев (футеровки из стали 110Г13Л). На Коршуновском горно-обогатительном комбинате (первая стадия измельчения железной руды, диаметр стержней 80 мм, мельница МСЦ 32X45) юрок службы комбинированных футеровок составил 33 месяца отрогов 14 месяцев для футеровок из стали 110Г13Л.

Комбинированные футеровки шаровых рудо-размольных мельниц МШР 32X31 на первой стадии измельчения вольфрамовых и медно-молибденовых руд имеют срок службы в 1,7-2,1 раза выше, чем футеровки из стали 110Г13Л.

Промышленные испытания комбинированных отливок на приемной течке роторного колеса и отбойной стенке разгрузочного лотка роторного экскаватора СРС(К)-470 (угольный разрез «Богатырь», масса кусков угля до 270 кг, скорость 4 м/с) показали, что срок их службы в 10-15 раз превышает срок службы течек из стали Ст. 3 с наплавкой Т-590. Аналогичные результаты получены при испытаниях комбинированных накладок для защиты механизма закрывания ковша экскаватора ЭКГ-4,6, узлов пересыпки угля и породы на перепускных течках на шахтах, разрезах, тепловых электростанциях. Отливки из белых износостойких чугунов, как правило, не являются номенклатурой массового крупнотоннажного производства» Обычно это детали, которые работают в специфических условиях интенсивного абразивного износа, но именно они определяют межремонтные сроки, а часто и работоспособность машины в целом. Поэтому экономическая эффективность применения белых износостойких чугунов очень высока. Успех использования белых износостойких чугунов - в тщательном назначений марки и технологии литья з соответствии с учетом влияния состава и условий изготовления на эксплуатационные свойства.

Литература

1. Бунин К.П. Малиночка Я.Н. Таран Ю.Н.- Основы металографии чугуна, М 1969. 416 с.

. Цыпин И.И. -Износостойкие отливки из белых чугунов. М. Металлургия 1983. 53 с.

. Гарбер М.Е.-Износостойкие белые чугуны. М,2010. 280 с.

. Чугун. Справочник под ред. Шерман А.Д. Жукова А.А. М, Металлургия 1991. 550 с.

. «Энциклопедия машиностроения», Том 2 «Стали и Чугуны», под редакцией К.В. Фролов. Москва, Машиностроение, 2001 г.