Металловедение, термообработка и рентгенография
Новиков И.И., Строганов Г. Б ., Новиков А.И.
МИСИС, 1994 г.
ЧУГУНЫ СО СПЕЦИАЛЬНЫМИ СВОЙСТВАМИ
АНТИФРИКЦИОННЫЕ ЧУГУНЫ
Антифрикционные чугуны применяют для работы в узлах трения со смазкой, подшипников скольжения, втулок, вкладышей. В качестве антифрикционных используют нелегированные или низколегированные серые чугуны с пластинчатым графитом АЧС-1.. .АЧС-6, высокопрочные чугуны с шаровидным графитом АЧВ-1, АЧВ-2 и ковкие чугуны АЧК-1, АЧК-2 (табл. 16.4). В обозначении марки антифрикционного чугуна цифра — это порядковый номер чугуна (ГОСТ 1585—85).
Включения графита уменьшают коэффициент трения в паре с сопряженной стальной деталью. Добавка меди во многие чугуны улучшает их коррозионные и антифрикционные свойства.
Все антифрикционные чугуны, исключая чугун АЧС-5, имеют перлитную или перлито-ферритную основу, причем содержание вязкого феррита, во избежание налипания материала подшипника на шейку вала, не должно превышать 30. ..50 %- Основа чугуна АЧС-5 с высоким содержанием марганца состоит после закалки на 80 % из аустенита. Этот чугун используют для работы в особо нагруженных узлах трения.
Главное достоинство чугуна по сравнению с баббитами и антифрикционными бронзами — низкая стоимость, а основной недостаток — плохая прирабатываемость, в связи с чем требуется точное сопряжение трущихся поверхностей. Предельная окружная скорость при использовании чугунов типа АЧС 5 м/с, а типа АЧВ—10 м/с. Это намного меньше, чем при использовании баббитов (до 50 м/с).
ИЗНОСОСТОЙКИЕ, ЖАРОСТОЙКИЕ И КОРРОЗИОННОСТОЙКИЕ ЧУГУНЫ
Эти чугуны легируют хромом, кремнием, алюминием и другими элементами (ГОСТ 7769—82). Часто один и тот же чугун используют для разного назначения: в одних случаях как износостойкий, в других — как жаростойкий и т. п. Марки рассматриваемых чугунов начинаются с буквы Ч, за которой следуют те же обозначения легирующих элементов и их содержания, что и в марках легированных сталей. Буква Ш в конце марки обозначает легированный чугун с шаровидным графитом.
К числу наиболее износостойких принадлежат белые чугуны с высоким содержанием хрома (ЧХ22, ЧХ32 — табл. 16.5). При увеличении содержания хрома легированный цементит (Fe, Сг)3С с твердостью 800. ..1000 HVзаменяется на карбид хрома (Сг. Fe)7C3 с твердостью 1250...1550 HV. Цементит (Fe, Сг)3С образует матрицу эвтектической колонии, а в эвтектике, содержащей (Сг, Fe)7C3, матрицей является твердый раствор на основе железа. Повышенная твердость карбида (Сг, Fe)7C3 и особенности строения эвтектических колоний с его участием обусловливают повышенную стойкость против абразивного износа высокохромистых чугунов. Полная замена цементита (Fe, Сг)3С на карбид (Сг, Fe)7C3 происходит при содержании хрома в чугуне около 12*%. Высокохромистые белые чугуны широко используют в горно-добывающей промышленности, металлургии и промышленности строительных материалов для изготовления шаров и футеровки шаровых мельниц, деталей машин для очистки литья, приготовления формовочных смесей, гидроциклонов, землесосов и пр.
Жаростойкие чугуны легированы хромом, кремнием и алюминием, образующими защитные оксидные пленки. Нелегированный серый чугун при нагреве не только окисляется с поверхности, покрываясь окалиной, но и увеличивается в объеме на 5. ..12%. Последнее явление, называемое распуханием или, чаще, ростом чугуна — результат окисления графита внутри отливки. Пластинчатый графит способствует межкристаллитному окислению. Чугун с шаровидным графитом намного более ростоустойчив, чем чугун с пластинчатым графитом. Жаростойкие чугуны испытывают не только на окалииообразование (по увеличению массы), но и на ростоустойчивость (по увеличению длины образца диаметром 25x100 мм за 150 ч испытаний при заданной температуре).
Высокохромистый чугун ЧХ32 используют не только как износостойкий, но и как жаростойкий до температур около 1150 °С. Из него изготавливают разнообразную печную арматуры, реторты, сопел горелок.
Кремнистый чугун ЧС5Ш (силан) жаростоек до температуры ~ 800 °С. Его используют для изготовления топочной арматуры котлов, подовых плит термических печей.
Чугун с высоким содержанием алюминия ЧЮ22Ш (чугаль) благодаря образованию плотной пленки А1203 жаростоек до температуры ~1100 °С в средах, содержащих сернистый газ и пары воды. Его используют для изготовления арматуры котлов, деталей обжиговых колчеданных печей.
Высокой стойкостью против коррозии в растворах кислот, щелочей и солей обладают чугуны ЧХ22С, ЧС15 (ферросилид) и ЧН15Д7 (нирезист), Широко используемые для изготовления деталей химической аппаратуры.
Ферросилиды отличаются от других чугунов очень низким содержанием углерода (0,3. ..0,8% С). Однако сплавы этого типа, в которых из-за высокого содержания кремния кристаллизуется эвтектика, по своим свойствам больше похожи на чугун, чем на сталь.
В заключение следует отметить, что в отличие от нелегированных конструкционных чугунов, эксплуатационные свойства которых определяются прежде всего структурой и, соответственно, условиями литья, для износостойких, жаростойких и коррозиоиностойких чугунов основным является содержание легирующих элементов.
ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЧУГУНОВ
Самым распространенным видом термообработки является отжиг чугунных отливок для уменьшения литейных напряжений при 430. ..600 °С (см. п. 13.1), так как остаточные напряжения всегда возникают при фасонном литье. Основная цель отжига для уменьшения литейных напряжений — стабилизация размеров отливки.
Вместо нагрева для предотвращения коробления иногда применяют временную перегрузку, которая, суммируясь с остаточными напряжениями, вызывает пластическую деформацию, приводящую к разрядке остаточных напряжений. Старинный способ — принудительная вибрация и остукивание со всех сторон чугунных отливок. Применяют также временное статическое нагружение. Например, в длинных чугунных станинах создают с помощью домкратов изгибающие моменты.
Графитизирующий отжиг применяют не только для превращения белого чугуна в ковкий, но и для устранения отбела в отливках из серого чугуна. В тонких сечениях таких отливок из-за ускоренного охлаждения кристаллизуется ледебурит, т. е. чугун получается белым. При литье в кокиль вся поверхность отливки из серого чугуна может оказаться отбеленной. Для улучшения обрабатываемости резанием и повышения пластичности проводят графитизирующий отжиг, устраняющий отбел. Так как серый чугун содержит больше кремния, чем белый чугун, предназначенный для отжига на ковкий, то графитизация при отжиге для снятия отбела развивается быстрее, температура может быть ниже (850.. .950 °С), а время выдержки меньше (0,5.. .5 ч).
Нормализация чугуна — это термическая обработка, при которой основными процессами являются аустенитизация и последующее перлитное превращение. Цель нормализации чугуна— упрочнение. Нормализации подвергают отливки главным образом с ферритной и феррито-перлитной матрицей, реже — с перлитной. Отливки нагревают до 850.. .950 °С и после выдержки 0,5.. .3 ч охлаждают на спокойном воздухе и в воздушной струе.
При нагреве происходит аустенитизация и структура состоит из аустенита и графита. При охлаждении идет распад аустенита по схеме А->-Ф + Ц и вся металлическая матрица приобретает перлитную или сорбитную структуру. Упрочнение при нормализации достигается благодаря устранению структурно свободного феррита (повышению концентрации связанного в цементит углерода) и замене перлита на сорбит. Твердость чугуна возрастает со 150 до 200.. .250 Η В. Наибольшее упрочнение достигается при нормализации ферритного чугуна. Но даже при нормализации перлитного чугуна вследствие увеличения дисперсности эвтектоида сопротивление износу может возрасти в полтора раза.
Закалку чугуна на мартенсит с нагревом до 850...930 °С и охлаждением в воде или масле применяют для повышения прочности и износостойкости. После закалки проводят низкий отпуск при 200 °С для уменьшения закалочных напряжений или высокий отпуск при 600.. 700 °С для получения структуры сорбита или зернистого перлита, обеспечивающей повышенную вязкость.
Для повышения износостойкости применяют поверхностную закалку с индукционным и газопламенным нагревом, а также закалку с плавлением поверхности (см. п. 13.4 и 13.5).
Иногда используют азотирование чугунных отливок для увеличения износостойкости и коррозионной стойкости и алитироваиие — для повышения жаростойкости и ростоустойчивости.
Следует отметить, что упрочняющая термообработка серого чугуна не получила такого широкого распространения, как термообработка стали. Это объясняется тем, что пластинчатый графит, действуя как внутренние надрезы, сильно снижает прочность и вязкость металлической основы. Поэтому изменение ее строения при термообработке не дает большого эффекта упрочнения и часто нерентабельно. Более эффективна упрочняющая термообработка (нормализация или закалка) чугунов с шаровидной и компактной формой графита.