Маркировка и область применения чугунов

1.2 Чугун

Чугун - это железоуглеродные сплавы на основе железа, содержащие углерода более 2,14 % (до 4%), примесей Mn, Si, S до 0,8 %, Р - до 2,5 %.

Чугуны, как материалы, обладающие хорошими литейными свойствами, жаростойкостью, коррозионной стойкостью и антифрикционными качествами, находят широкое применение при изготовлении технологических аппаратов, узлов и деталей. Однако данные материалы обладают рядом недостатков: высокая хрупкость, сложность обработки резанием, высокие коэффициенты линейного расширения, сильная зависимость прочностных характеристик от температуры, трудность, а в ряде случаев и невозможность сварки этих материалов.

Правила Госгортехнадзора регламентируют использование чугунного литья для работы при следующих параметрах, серый чугун при температуре от – 15 до + 250 °С и давлении до 1МПа; щелочестойкий чугун при температуре от – 15 до + З00 °С и давлении до 1МПа; ферросилид при температуре от 0 до + 700 °С и давлении до 2,5 МПа.

Чугунные отливки ( высокопрочный чугун ) по показателям качества успешно конкурируют со стальным литьём и даже с кованой сталью, вытесняя их в областях благоприятного использования.

1.2.1 Классификация чугунов

Чугун может быть классифицирован по многим признакам:

– по степени графитизации ( рисунок 2.1 ) чугуны подразделяются на:

а) белый( не графитизированный ), в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита (Fe₃C) или в карбидах других элементов (Cr, Mo, V, Ti и др.);

б) отбеленный или половинчатый (частично графитизированный);

в) графитизированный ( серый (СЧ), высокопрочный (ВЧ) и ковкий КЧ) ), в котором большая часть или даже весь углерод находится в свободном состоянии.

Рисунок 2.1 – Классификация чугуна по степени графитизации

– по эксплуатационным характеристикам чугуны классифицируют :

а) износостойкие;

б) антифрикционные;

в) коррозионно-стойкие;

г) жаропрочные;

д) жаростойкие;

е) немагнитные.

– по прочности чугуны классифицируют на:

а) обыкновенной прочности ( );

б) повышенной прочности ( );

в) высокой прочности ( ).

– по твердости чугуны классифицируют на:

а) мягкий (HB <149);

б) средний (HB 149 – 197);

в) повышенной твердости (HB 197 – 269);

г) твердый (HB > 269).

– по пластичности чугуны классифицируют на:

а) непластичный ( );

б) малопластичный ( );

в) пластичный ( ); 

г) повышенной пластичности ( ).

– по структуре металлической матрицы чугуны делятся на:

а) ферритные;

б) перлитные;

в) аустенитные;

г) белые;

д) со смешанной структурой

– перлито-ферритные;

– половинчатые (перлит + цементит);

–аустенитно-мартенситные и др.

Графитизированный чугун подразделяется по форме графита на чугун (рисунок 2.2):

а) с пластинчатым графитом (СЧ);

б) с шаровидным или глобулярным графитом (ВЧ);

в) хлопьевидным или гнездообразным графитом (КЧ).

Металлическая

основа

Форма графита

Пластинчатая (СЧ)

Хлопьевидная

(гнездообразная)

(КЧ)

Шаровидная

(глобулярная)

(ВЧ)

Твердость, износоустойчивость

Обрабатываемость режущим инструментом

Перлит

Перлит +

+ феррит

Феррит

Прочность, пластичность

Рисунок 2.2 – Влияние металлической основы и формы включения графита на свойство чугунов

Серые чугуны

В серых чугунах (рисунок 2.3) большая часть или даже весь углерод находиться в свободном состоянии в виде пластинчатого графита, что определяет серый цвет излома отливок. Эти графитовые включения уменьшают рабочее сечение основной металлической массы и играют роль надрезов, что создаёт концентрацию напряжений и уменьшает по сравнению со сталями среднюю прочность чугуна. Но благодаря смазывающего действия графита он обладает удовлетворительной износостойкостью и повышенным внутренним трением.

Серый чугун обозначается начальными буквами СЧ и значениями временного сопротивления при растяжении σ_в (кгс/мм²).

Например, СЧ15 означает - серый чугун с временным сопротивлением (пределом прочности) при растяжении σ_в = 15 кгс/мм² (150 МПа). Ранее серый чугун обозначался следующим образом: СЧ 12 - 28; СЧ 15 - 32; СЧ 40 - 60, где цифры 12, 15, 40 - это предел прочности (временное сопротивление) кгс/мм² при изгибе.

Серые чугуны используют преимущественно для деталей относительно сложной конфигурации, требующих литой заготовки. Из него изготавливают: стойки опор, крышки, колпачки и тарелки ректификационных колонн, гарнитуру печей (шиберы, заслонки, задвижки, дверцы), элементы погружных конденсаторов, корпусы, втулки и поршни паровых насосов, корпусы трубопроводной арматуры, литьё для компрессоров и насосов и т.д.

Из серого чугуна допускается изготавливать детали аппаратов, работающих под давлением до 1 МПа при температуре от – 15°С до +250°С. Серый чугун не применяют для изготовления деталей, подверженных значительным динамическим нагрузкам из-за низкой ударной вязкости.

В таблице 2.11 приведены основные свойства серого литейного чугуна и его применение

Рисунок 2.3 - Структура серых чугунов с ферритно-перлитной (а) и перлитной (б) металлической основой × 200

Таблица 2.11 – Основные свойства серого литейного чугуна и его применение

Марка

σ_и,

МПа

Твердость по Бринеллю,НВ

Примечание

Чугун с пластинчатым графитом

СЧ10

139-274

Малоответственные отливки с толщиной стенок до 15 мм (корпуса, крышки, кожухи и др.)

СЧ15

160-224

Малоответственные отливки с толщиной стенок 10—30 мм (трубы, корпуса клапанов, вентили при давлении до 20 МПа и др.)

СЧ18

167-224

Ответственные отливки с толщиной стенок 10—20 мм (шкивы, зубчатые колеса, станины, суппорты и др.)

СЧ20

167-236

Ответственные отливки с толщиной стенок до 30 мм (блоки цилиндров, поршни, тормозные барабаны, каретки и др.)

СЧ25

176-245

Ответственные отливки с толщиной стенок до 40 мм (кокильные формы, поршневые кольца и др.)

СЧ30

177-250

Ответственные отливки с толщиной стенок до 60 мм (поршни, гильзы дизелей, рамы, штам­пы и др.)

СЧ35

193-264

Ответственные высоконагруженные отливки с толщиной стенок до 100 мм (малые коленча­тые валы, детали паровых двигателей и др.)

Высокопрочный чугун

Высокопрочные (модифицированные) чугуны (рисунок 2.4) (с шаровидным графитом). Их получают обработкой расплавленного чугуна магнием или другими модифицирующими присадками. Присадки в значительной степени улучшают структуру чугуна, размельчая и распределяя графит равномерно по объёму отливки, придавая графиту шаровидную форму и тем самым сильно уменьшая внутреннюю концентрацию напряжений и повышая механические свойства чугуна. Это позволяет применить его вместо сталей для деталей, работающих в условиях значительных переменных напряжений (коленчатые валы). Стоимость изготовления литых валов во много раз меньше, чем штампованных.

В нефтепереработке из высокопрочного чугуна изготавливают узлы и детали с повышенными механическими свойствами: колеса центробежных насосов, цилиндры поршневых насосов, литьё для компрессоров, корпусы насосов и т.д.

ВЧ имеет хорошие литейные свойства – высокую жидкотекучесть, незначительную склонность к образованию горячих трещин, вместе с тем его склонность к образованию усадочных раковин и литейных напряжений выше, чем у серого чугуна. Кроме того, ВЧ имеет удовлетворительную коррозионную стойкость (не ниже, чем СЧ), жаростойкость, хладостойкость, антифрикционные свойства, обрабатываемость резанием и может подвергаться сварке и автоген ной резке

Высокопрочный чугун обозначают: ВЧ 35, ВЧ 40…ВЧ 100, где 35, 40, 100 - (временное сопротивление) предел прочности при растяжении σ_в (кгс/мм²). Ранее высокопрочный чугун обозначался ВЧ 42-12, где 42 - предел прочности при растяжении, 12 - относительное удлинение, δ в %.

Рисунок 2.4 - Высокопрочный чугун на ферритной (а) и ферритно-перлитной (б) основе × 200

Ковкий чугун

Ковкий чугун (рисунок 2.5) получают отжигом белого чугуна, его применяют для деталей, требующих по своей форме литой заготовки, не допускающих хотя бы случайную ударную нагрузку.

При термообработке белого чугуна изменяется его структура (ферритная с хлопьевидным графитом), благодаря этому получаемый ковкий чугун обладает хорошими литейными свойствами, высокой прочностью, высоким модулем упругости.

В таблице 2.11 приведены механические свойства ковкого чугуна и его применение

Ковкий чугун обозначают: КЧ 30-6, КЧ 33-8, КЧ 60-3, где цифры 30, 33, 60 -обозначают временное сопротивление σ_в , равное соответственно 300, 330 и 600 МПа, а цифры 6, 8 и 3 - относительное удлинение в процентах.

Рисунок 2.5 - Ковкий чугун на ферритной (в) и перлитной (г) основе × 200

Таблица 2.12 – Механические свойства ковкого чугуна и его применение

Марка

Твердость по Бринеллю, ИВ

Примечание

КЧ 30 – 6

КЧ33 – 8

КЧ35 – 10

КЧ37 – 12

КЧ45 – 7

КЧ50 – 5

КЧ55 – 4

КЧ60 – 3

КЧ65 – 3

КЧ70 – 2

КЧ80 – 1.5

В основном для небольших отливок, работающих в усло­виях динамических нагрузок (детали в автомобильной, тракторной и сельскохозяйственной промышленности). Ограниченное применение обусловлено сложностью изготовления отливок, длительностью термической обработки, ограниченными допускаемыми размерами сечений (не бо­лее 30 – 40 мм)

Специальные чугуны

Широкое применение находят чугуны, обладающие повышенной прочностью (высокопрочные чугуны), жаро- и коррозионно-стойкие, антифрикционные, ковкие чугуны и некоторые специальные марки чугуна.

Жаростойкие, жаропрочные, коррозионно-стойкие, высококремнистые и высокохромистые - это чугуны, легированные хромом, медью, никелем, молибденом и другими элементами.

 Жаростойкие чугуны предназначены для работы при высоких температурах. Обладают достаточной жаростойкостью, т.е. способностью оказывать сопротивление окалинообразованию (не более 0,5 г/(м² · ч)) и росту отливки (не более 0,2%) при температуре эксплуатации.

Жаростойкие чугуны обозначают ЖЧХ, ЖЧХ16, ЖЧС5, ЖЧО30.

ЖЧХ отличается повышенной коррозионной стойкостью в газовой, воздушной и щелочной средах, в условиях трения и износа. Жаростоек в воздушной среде до 500 °С.

Жаростойкие чугуны, содержащие до 32% Сr и 1 - 2% Si применяются в котельно-топочном оборудовании. Чугуны марки ЖЧХ 0,8, ЖЧХ 1,5, ЖЧ6 5,5 (ГОСТ 7769—82) используют при изготовлении узлов и деталей, работающих при температурах соответственно +550, 600 и 800 °С, а чугуны ЖЧХ 16 и ЖЧХ 30 обладают хорошей стойкостью до температур 1000-1200 °С при действии дымовых газов, содержащих сернистые соединения.

ЖЧХ16 содержит 15-32 % Cr и 1-2 % Si жаростоек в воздушной среде до 900 °С, износостоек при нормальной и повышенной температурах, устойчив против воздействия неорганических кислот высокой концентрации. Области применения: арматура машин и аппаратов химических производств, печная арматура, детали печей.

Жаропрочные чугуны легируют хромом и никелем, они могут иметь пластинчатую или шаровидную формы графита; металлическая основа чаще бывает аустенитной. Чугуны ЧН19Х3Ш, ЧН11Г7Х2Ш применяют в нефтяной и химической промышленности, в газотурбиностроении для изготовления деталей компрессоров по сжижению газов, выпускных патрубков дизелей.

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, ЧН1ХМД, ЧН1МШ применяют в двигателестроении для отливки поршневых колец, направляющих втулок головок цилиндров, выпускных патрубков, поршней и гильз.

Высококремнистые чугуны (ферросилиды) С 15, С 17 (ГОСТ 2233—85) применяют для изготовления корпусов, деталей и узлов простой конфигурации для работы с сильноагрессивными средами (растворы солей, азотная и серная кислоты), при давлении до 0,25 МПа и температуре от 0 до + 700°С: поршневых насосов (цилиндры, поршни, клапаны, седла), для оборудования по производству концентрированных серной и азотной кислот (лопатки мешалок, фитинги, втулки, реакционные аппараты, трубопроводы).

При разработке конструкции следует учитывать, что кремнистые чугуны очень хрупки, чувствительны к колебаниям температуры и трудно обрабатываются резанием. Поэтому изделия из них изготавливают отливкой, предусматривая плавные переходы. Ферросилиды широко применяют при изготовлении арматуры.

Следует иметь в виду, что ферросилиды легко корродируют под воздействием соляной кислоты, крепких щелочей и фтористых соединений.

Высокохромистые сплавы обладают коррозионной стойкостью в азотной, серной, уксусной, фосфорной кислотах, в растворах солей, щелочей и морской воде. Из этих чугунов изготавливают детали насосов, реторты, конденсаторы, вентили, трубы, мешалки для химических производств.

В таблице 2.13 приведены механические свойства легированного чугуна для отливок со специальными свойствами

Таблица 2.13 – Механические свойства легированного чугуна для отливок со специальными свойствами

Марка чугуна

σ_в , МПа

σ, %

σ_и, МПа

Твердость по Бринеллю, НВ

Свойства

4Х1

-

203-280

Жаростойкий

4Х2

-

203-280

»

4Х3

-

223-356

», износостойкий

ЧХЗТ

440-580

Износостойкий

ЧХ9Н5

-

490-607

»

4Х16

-

390-440

», жаростойкий

ЧХ16М2

-

490-607

Тоже

4Х22

-

333-607

»

ЧХ22С

-

215-333

Коррозионно- и жаростойкие

4Х28

-

215-264

То же

ЧХ28П

-

245-390

Стойкий в цинковом расплаве

ЧХ28Д2

-

390-635

Износо- и коррозионностойкий

4Х32

-

245-333

Жаро-и износостойкий

ЧС5

-

140-294

Жаростойкий

ЧС5Ш

-

-

223-294

»

ЧС13

-

294-390

Коррозионностойкие в жидкой среде

ЧС15

-

294-390

То же

ЧС17

-

390-450

»

ЧС15М4

-

390-450

»

ЧС17МЗ

-

390-450

Жаростойкий

ЧЮХШ

-

183-356

Жаро-и износостойкие

ЧЮ6С5

-

236-294

То же

ЧЮ7Х2

-

254-294

Жаро- и износостойкие при высокой температуре

ЧЮ22Ш

-

235-356

ЧЮЗО

-

356-536

ЧГ6СЗШ

-

215-254

Износостойкий

ЧГ7Х4

-

490-586

»

ЧГ8Д3

-

176-285

Маломагнитный

ЧНХГ

-

196-280

Коррозионностойкие в газовых средах двигателей внутреннего сгорания

ЧНХМД

-

196-280

ЧНМШ

-

183-280

ЧН2Х

-

215-280

Износостойкий

4Х4Х2

-

460-645

»

ЧН11Г7Ш

-

120-250

Жаропрочный

ЧН15Д7

-

120-250

Маломагнитный

ЧН15ДЗШ

-

120-250

»

4Н19ХЗШ

-

120-250

Маломагнитный

4Н20Д2Ш

-

120-220

Жаропрочный, хладостойкий, маломагнитный

Познавательные статьи:



Алгоритмические операторы Matlab

Конструирование и порядок расчёта дорожной одежды

Исследования учёных: почему помогают молитвы?

Почему терпят неудачу многие предприниматели?