Почему белый чугун имеет ограниченное использование

Чугуны – сплавы железа и углерода (от 2,14%). Чугуны содержат примеси Mn, Si, S, Чугуны обладают хорошими литейными свойствами. Не подвергаются обработке давлением. С целью увеличения характеристик износостойкости и пластичности чугуны легируют Cr, Ni, Si, Μη, Mo, W, Ti, Al, Co и др.

Белый чугун – вид чугуна, в котором углерод в связанном состоянии в виде цементита, в изломе имеет белый цвет. Белый чугун имеет ограниченное применение. Изготавливают детали с отбеленной поверхностью, работающие в условиях абразивного износа и незначительных нагрузок (прокатные, мельничные валки). Белый чугун применяют главным образом как передельный чугун (полуфабрикат). Белый чугун хорошо сопротивляется статическому сжатию, но очень хрупок.

В серых, высокопрочных и ковких чугунах весь углерод или большая его часть находится в свободном состоянии в виде графита. В серых чугунах (излом серого цвета) графит имеет пластинчатую форму. Серые чугуны обладают высокими литейными свойствами (низкая температура кристаллизации, текучесть в жидком состоянии, малая усадка), имеют антифрикционные свойства. Но они плохо сопротивляются растяжению, ударным нагрузкам. Серые чугуны широко применяют для отливки станин станков и механизмов, поршней, цилиндров.

В высокопрочных чугунах графит имеет шаровидную форму. Эти чугуны получают модифицированием – добавкой в жидкий чугун магния в количестве 0,02-0,08%. Благодаря шаровидной форме графита, высокопрочные чугуны имеют более высокие, чем серые, прочностные характеристики, обладают некоторой пластичностью и ударной вязкостью. Их применяют для изготовления тяжелонагруженных деталей: прокатных валков, коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания и других деталей, работающих в условиях динамических нагрузок.

В ковких чугунах графит имеет хлопьевидную форму. Такие чугуны получают отжигом (длительным нагревом при температуре 950-1000С) белого чугуна. Ковкие чугуны, по сравнению с серыми, обладают большей прочностью и пластичностью. Из них изготавливают тонкостенные детали, работающие в условиях ударных и вибрационных нагрузок: ступицы, тормозные колодки.

Обозначение: буквы, означающие категорию и цифры, указывающиме минимальное значение предела прочности при растяжении σв в МПа. Например: 1) СЧ20 – серый чугун с σв не менее 200 МПа (≈20 кгс/мм2); 2) ВЧ50 – высокопрочный чугун, σв не менее 500 МПа; 3) КЧ35-10 – ковкий чугун с σв не менее 350 МПа (≈35 кгс/мм2) и относительным удлинением не менее 10% (минимальное значение).

13. Предварительная термическая обработка стальных заготовок (нормализация, отжиг).

Предварительную термическую обработку выполняют для обеспечения требуемых технологических свойств материала заготовок (отливок, поковок, проката и т.п.) и подготовки структуры к окончательной термической обработке: 1) уменьшения твёрдости для снижения усилий резания; 2) измельчения зерна с целью повышения пластичности, так как современные методы обработки конструкционных сталей связаны в основном с формообразованием за счет пластической деформации; 3) устранения различных дефектов структуры (строчечное, ферритной сетки, видманштеповой структуры); 4) получения равномерного распределения структурных составляющих; 5) снятия внутренних напряжений.

В качестве предварительной термической обработки сталей проводят отжиг или нормализацию.

Отжиг – нагрев доэвтектоидной стали до температуры на 30-50 °С выше линии Ac3, выдержка и медленное охлаждение с печью (скорость охлаждения 20-30 град/ч).

При нормализации в отличие от отжига охлаждение производят на спо­койном воздухе (скорость охлаждения 3 град/с).

Нагрев доэвтектоидных сталей при предварительной термической обра­ботке выше линии Ac3 необходим для измельчения зерна в сплавах в результате полной перекристаллизации. При этом следует учитывать, что измельчение стали. Такой дефект структуры носит название перегрева. Нагрев же стали в межкритический интервал температур (ниже линии Ас₃, но выше Ac1) не приводит к полной перекристаллизации (измельчается только зерно перлита). Нормализация приводит к несколько более высокой твёрдости, чем от­жиг.

Для сталей, содержащих 0,25-0,5 % углерода, повышение твёрдости ко­торых при нормализации невелико, выгоднее проводить нормализацию; для более высокоуглеродистых сталей, содержащих 0,55-0,75 % С – отжиг, но, воз­можно, и нормализацию – в зависимости от используемой в дальнейшем технологии.

Малоуглеродистые стали (до 0.25 % С) необходимо подвергать только нормализации, чтобы сталь, имея структуру феррит + перлит (небольшое коли­чество), была пластичной. После отжига эти стали будут иметь структуру фер­рита и цементита, расположенного по границам ферритных зерен, что сильно охрупчивает стали.

Измельчение зерна при отжиге или нормализации доэвтектоидных сталей в результате перекристаллизации происходит как при нагреве, так и при охлаж­дении

Предварительная термическая обработка углеродистых инструментальных сталей.

Заэвтектоидные инструментальные стали имеют исходную структуру перлит + вторичный цементит, при этом в ряде случаев при некачественно про­веденной горячей обработке давлением (ковке, прокатке и др.) вторичный це­ментит расположен в виде сетки по границам перлитных зерен.

Такая структура приводит к по­вышенной хрупкости стали и затрудня­ет ее механическую обработку, а после дальнейшей закалки инструмент будет хрупок и неработоспособен. Поэтому в первую очередь необходимо избавить­ся от сетки вторичного цементита. Для этого заэвтектоидную сталь нагревают до температуры, при которой вторич­ный цементит полностью растворится, т. е. на 30-50 °С выше линии Ас3 (но обычно не выше 920-950 °С), выдер­живают при этой температуре и уско­ренно охлаждают на воздухе или в мас­ле (в зависимости от сечения заготов­ки). Если же охлаждать медленно, например, с печью, то вторичный цементит успевает вновь выделиться избирательно по границам перлитных зерен.

Главным условием образования перлита с зернистой формой цементита является фиксация при охлаждении неоднородного по углероду твердого раствора (аустенита). Из однородного (гомогенного) аустенита при медленном охлаждении всегда образуется цементит пластинчатой формы. На практике от­жиг проводят путем нагрева стали выше точки Ac1 (до 740-770 °С) с после­дующей длительной изотермической выдержкой при температуре 660-700 °С (наиболее технологичный режим) или с последующим непрерывным охлаж­дением с печью со скоростью не более 50 град/ч до 500-600 °С и далее на воз­духе (рис. 6.5). Для отдельных заготовок инструментов и небольших их партий возможен маятниковый отжиг, сокращающий время обработки.

Последнее изменение этой страницы: 2016-04-19; Нарушение авторского права страницы

Изначально технология литья чугуна была впервые освоена в Китае еще в Х веке, после чего нашла широкое распространение в других странах мира. Основа чугуна – это сплав железа с углеродом и другими компонентами. Отличительной особенностью является то, что в своем составе чугун содержит более 2 % углерода в виде цементита, чего нет в других металлах. Ярким представителем такого сплава можно назвать белый чугун, который используется в машиностроении для изготовления деталей, в промышленности и в быту.

Внешний вид

Сплав обладает белым цветом на изломе и характерным металлическим блеском. Структура белого чугуна – мелкозернистая.

Свойства

В сравнении с другими металлами, железоуглеродистый сплав имеет такие характеристики и свойства:

• высокая хрупкость;
• повышенная твердость;
• высокое удельное сопротивление;
• низкие литейные свойства;
• низкая обрабатываемость;
• хорошая тепловая стойкость;
• большая усадка (до 2 %) и плохое заполнение литейных форм;
• низкая ударная устойчивость;
• высокая износостойкость.

Металлическая масса обладает большой коррозийной стойкостью в соляной или азотной кислоте. Если в структуре имеются свободные карбиды, то при помещении чугуна в серную кислоту будет наблюдаться коррозия.

Белые чугуны, в составе которых имеется меньший процент углерода, считаются более устойчивыми сплавами к высоким температурам. За счет повышенной механической прочности и вязкости, что появляются при воздействии высоких температур, минимизируется образование трещин в отливках.

Состав

Железоуглеродистый сплав считается более дешевым материалом, в сравнении со сталью. Белый чугун содержит в себе железо и углерод, что находятся в химически связанном состоянии. Избыточный углерод, который не присутствует в твердом растворе железа, содержится в объединенном состоянии в виде карбидов железа (цементит), а в легированном чугуне в виде специальных карбидов.

В зависимости от количества содержания углерода в белый чугун подразделяется на такие виды:

1. Доэвтектический вмещает от 2,14 % до 4,3 % углерода и после полного охлаждения приобретает структуру перлита, вторичного цементита и ледебурита.
2. Эвтектический содержит 4,3 % углерода и обладает структурой в виде светлого фона цементита, который усеян темными зернами перлита.
3. Заэвтектический имеет от 4,3 % до 6,67 % углерода в своем составе.

Применение

Исходя из вышеперечисленных свойств, можно сделать вывод, что практиковать термическую и механическую обработку белого чугуна не имеет смысла. Свое основное применение сплав нашел только в виде отливки. Следовательно, наилучшие свойства белый чугун получает только при соблюдении всех условий отливки. Данный способ обработки активно применяется, если необходимо изготовить массивные изделия, которые должны обладать высокой поверхностной твердостью.

Помимо этого, производится отжиг белого чугуна, в результате чего получают ковкие чугуны, что служат для изготовления тонкостенного литья, например:

• автомобильных деталей;
• изделий для сельского хозяйства;
• деталей для тракторов, комбайнов и др.

Сплав также используют для изготовления плит с ребристой или гладкой поверхностью, а также активно применяют для производства стали и серого чугуна.

Применение белых чугунов в сельском хозяйстве в виде конструктивного металла довольно ограничено. Чаще всего железоуглеродистый сплав используется для изготовления деталей гидромашин, пескометов и других механизмов, которые могут функционировать в условиях повышенного абразивного изнашивания.

Отбеленные чугуны

Данный сплав считается разновидностью белых чугунов. Добиться отбела на 12-30 мм возможно с помощью быстрого охлаждения поверхности железоуглеродистого сплава. Строение материала: поверхностная часть выполнена из белого, серый чугун в сердцевине. Из такого материала изготавливают колеса, шары для мельниц, прокатные валки, которые крепятся в станках для обработки листового проката.

Легирующие элементы сплава

Специально введенные легирующие вещества, добавленные в состав белого чугуна, способны придать большую износостойкость и прочность, коррозийную стойкость и жароупорность. В зависимости от количества добавленных веществ, различают такие виды чугуна:

• низколегированный сплав (до 2,5 % вспомогательных веществ);
• среднелегированный (от 2,5 % до 10 %);
• высоколегированный (более 10 %).

В сплав могут добавлять легирующие элементы:

Легированный белый чугун обладает улучшенными свойствами и часто используется для отливки турбин, лопаток, мельниц, деталей для цементных и обычных печей, лопастей перекачивающих машин и др. Обрабатывается железоуглеродистый сплав в двух печах, что позволяет довести материал до определенного химического состава:

• в вагранке;
• в электроплавильных печах.

Отливки, выполненные из белого чугуна, подвергаются отжигу в печах для стабилизации необходимых размеров и снятия внутреннего напряжения. Температура отжига может повышаться до 850 градусов. Процесс нагрева и остывания в обязательном порядке должен производиться медленно.

Маркировка или обозначение белого чугуна с примесями начинается с буквы Ч. Какие именно легирующие элементы вмещаются в составе сплава, можно определить по последующим буквам маркировки. В названии могут быть цифры, которые обозначают количество в процентном выражении дополнительных веществ, что вмещаются в белом чугуне. Если в маркировке имеется обозначение Ш, то это обозначает, что в структуре сплава имеется графит шаровидной формы.

Виды отжига

Для образования белого чугуна в промышленности применяется скорое охлаждение сплава. На сегодня активно применяются такие основные виды отжига углеродистого сплава:

• смягчающий отжиг применяется преимущественно для увеличения в составе чугуна феррита;
• отжиг для снятия внутренних напряжений и минимизации фазовых превращений;
• графитизирующий отжиг, по итогу чего возможно получить ковкий чугун;
• нормализация при температурном режиме 850-960 градусов, в результате чего получают графит и перлит, а также увеличивается износостойкость и прочность.

Дополнительна информация

На сегодня доказано, что прямой зависимости не существует между износоустойчивостью и твердостью углеродистого сплава. Только за счет строения, а именно расположения карбидов и фосфидов в виде правильной сетки или в виде равномерных включений, достигается повышенная износоустойчивость.

На прочность белого чугуна наиболее интенсивно оказывает влияние количество углерода, а твердость зависит от карбидов. Наиболее большой прочностью и твердостью отличаются те чугуны, которые обладают мартенситной структурой.

Металлические сплавы железа и углерода, где содержание второго элемента превышает 2,14%, называют чугунами. К белым чугунам относят такие сплавы, в которых углерод представлен в виде карбида железа Fe3C (цементита). Именно из-за светлого цвета на изломе их и называют белым.

Условия изготовления отливок из белой марки приведены в ГОСТ 1215-79 и ГОСТ 26358-84. В них указаны технические требования, порядок приемки, испытаний, транспортирования и хранения чугунных сплавов. Маркируется буквами БЧ.

Виды выпускаемого белого чугуна

В зависимости кристаллической структуры, а так же наличия и соотношения составляющих элементов белые чугуны подразделяют на:

• обыкновенный;
• легированный;
• жаропрочный;
• нержавеющий.

Отдельным видом выделяют чугунные сплавы с высоким удельным электрическим сопротивлением.

Внутренняя структура обыкновенного белого чугуна содержит углерод в виде цементитных зерен. Количество углерода влияет на температуру плавления и в зависимости от этого чугуны подразделяют на:

1. доэвтектические с более низкой температурой плавления, углерода не боле 4,3%;
2. эвтектический с содержанием углерода 4,3%;
3. заэвтектические – более 4,35% и может достигать – 6,3%.

Эффекта отбеливания чугуна достигают путем быстрого охлаждения отливки, которая в результате получается неоднородной по своему составу. Верхний слой, толщиной до 30 мм, становится белым, а остальная сердцевина представляет собой обычный серый чугун.

Достоинства и недостатки

Как и все чугунные сплавы, белые отличаются большой прочностью в сочетании с хрупкостью при сильных механических ударах. В числе основных положительных качеств белого чугуна следует назвать:

• высокую твердость;
• большое удельное сопротивление;
• износостойкость;
• повышенное сопротивление коррозии.

Важным качеством белых чугунов считается очень хорошая устойчивость к воздействию высоких температур, которая используется для снижения количества трещин в первоначальных отливках.

К основным недостаткам относят такие качества, как:

• хрупкость и возможность разрушения при механических воздействиях;
• низкие литейные качества и плохое заполнение форм;
• вероятность образования внутренних трещин при отливке;
• сложная и некачественная механическая обработка.

Образование дефектов при сваривании из-за быстрого выгорания углерода и образования пор.

Область применения

Обыкновенный белый чугун используют весьма ограниченно, поскольку он плохо применим к механической и термической обработке. Для производства изделий он часто применяется в виде необработанных или частично обработанных отливок.

Самое широкое применение сплав получил при изготовлении крупных деталей простой конфигурации. Это корпуса и детали станков и прокатных станов, шары для мельниц, приводные и опорные колеса. Кроме этого белый чугун используют для изготовления узлов агрегатов, которые испытывают на себе постоянное воздействие абразивных материалов.

Важным моментом является использование обычного чугуна в качестве сырья для изготовления ковких сортов железоуглеродистых чугунных и стальных сплавов.

Легирование белого чугуна

Наличие в составе сплава легирующих добавок сильно изменяет его физические свойства, которые значительно расширяют его область применения. В качестве легирующих элементов в металлургии используют очень распространенные вещества.

Для повышения твердости в железоуглеродистый чугунный сплав могут быть добавлены: никель, фосфор, марганец, хром, ванадий, кремний, медь, титан и сера.

В том случае, если количество легирующих добавок примерно равно углеродному содержанию, чугун приобретает предельно возможную твердость.

Износостойкость, как физическая характеристика белого чугуна, рассматривается независимо от его твердости. Ее повышения достигают изменением структуры металла путем добавления карбидов и фосфидов в виде равномерно распределенных включений. Качество отливки деталей напрямую зависит от химического состава сплавов и количества легирующих элементов.

В зависимости от процентного содержания легирующих примесей белый чугун подразделяют на:

• низколегированный до 2,5%;
• среднелегированный до 10%;
• высоколегированный.

Уже готовые отливки из чугуна подвергаются дополнительной температурной обработке (отжигу), в результате которой снимаются внутренние напряжения металла и происходит стабилизация внешних размеров. Температура отжига белого легированного чугуна около 850°C.

Процесс нагрева и охлаждения происходит медленно для исключения образования внутренних трещин и других дефектов.

Легированные чугунные сплавы получили широкое применение в производстве:

• деталей промышленного оборудования и станков;
• узлов и деталей автомобилей, тракторов и сельскохозяйственной техники;
• подвижного железнодорожного состава; труб, насосов, котлов;
• бытовых и хозяйственных изделий.

Это обусловлено улучшенными качествами металлов по сравнению с обычным белым чугуном.

Нержавеющие сплавы

Для повышения устойчивости белого чугуна к коррозии в него добавляют большое количество хрома. Это приводит к образованию оксидной пленки на поверхности и дальнейшему прекращению доступа кислорода. Кроме этого высокохромистый белый чугун приобретает устойчивость к щелочным растворам, серной и азотной кислоте.

Дополнительно процесс легирования хромом предупреждает возможность коагуляции карбидов при сильном нагреве сплава. Это позволяет получать качественные сварные соединения деталей из белого чугуна. Если в процессе легирования вместе с хромом добавлены никель и молибден, то полученный нержавеющий сплав по прочности можно сравнивать с лучшими жаропрочными сталями, которые намного дороже.

Хромосодержащий белый чугун применяют в случаях тяжелых эксплуатационных условий, присутствия щелочей и окислителей, потребности высокого электросопротивления.

Белый жаропрочный чугун

Для получения чугунного сплава способного сохранять первоначальные размеры в процессе циклических нагревов до высокой температуры в него, кроме хрома, добавляют:

При этом металл относится к группе нержавеющих белых чугунов и может использоваться во многих отраслях деятельности.

Сплавы с высоким удельным сопротивлением

Такие виды белого чугуна применяют для изготовления литых нагревателей электрических печей и сушек, работающих при температуре до 900°C. Для получения сплава в него добавляют:

Такой белый чугун с высоким удельным сопротивлением называют сормайт и используют для изготовления электронагревателей различной мощности.

Белый чугун нельзя назвать слишком распространенным сплавом из-за технических трудностей при его механической и термической обработке. Однако создание легированных сплавов значительно расширяет сферу применения этого материала в результате кардинального изменения его физических и химических свойств.

При этом процесс легирования не требует использования редких и очень дорогих добавок. Поэтому применение белого чугуна для изготовления изделий и заготовок будут расширяться.