УЭиОТО
Занятие № 33
РАЗДЕЛ 1 Конструкционные, набивочные, прокладочные и смазочные материалы в химическом машиностроении
Тема 2.2 Конструкционные материалы
Чугуны: свойства, маркировка, применение и выбор
(Криворот с.22-23; Косинцев ОПХП с.257-258; Вишневецкий материаловедение с.95-113)
ВОПРОСЫ
1 Общие сведения о чугунах.
2 Классификация чугунов, структура и свойства
3 Сорта чугуна и его применение для химического машиностроения
2.2.1.1 Общие сведения о чугунах.
Чугуном называют сплав железа с углеродом и другими элементами, содержащим более 2,14 % С.
Чугуны подразделяют на:
§ передельные ( более 80% всего выплавляемого чугуна ),
§ специальные (ферросплавы),
§ литейные ( 15-20% от количества производимого чугуна ),
а также на конструкционные:
§ легированные (специального назначения),
§ нелегированные (общего назначения).
Первые два используют для переработки в сталь, а литейные чугуны (около 20 %) отправляют на машиностроительные заводы для использования при изготовлении литых заготовок деталей (литья).
Нелегированный конструкционный чугун для производства отливок в машиностроении имеет следующий химический состав, %: 2,0-4,5 % С; 1,0-3,5 % Si; 0,5-1,0 Mn; содержание примесей: не более 0,3 % S; не более 1,5 % Р.
Чугуны широко распространены в промышленности для изготовления корпусных деталей и узлов сложных конфигураций, т.к. обладают оптимальным сочетанием различных свойств:
§ технологических – литейных, обрабатываемости резанием;
§ эксплуатационных – механических и специальных;
§ технико-экономических.
2.2.1.2 Классификация чугунов, структура и свойства
Классификация чугуна с различной формой графита производится по ГОСТ 3443-87. Она осуществляется по следующим признакам:
§ по состоянию углерода – свободный или связанный;
§ по форме включений графита – пластинчатый, вермикулярный, шаровидный, хлопьевидный (рис.18);
§ по типу структуры металлической основы (матрицы ) – ферритный, перлитный, смешанный;
§ по химическому составу – нелегированные чугуны (общего назначения), легированные чугуны (специального назначения).
В зависимости от формы выделения углерода в чугуне различают:
§ белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита Fe3C;
§ половинчатый чугун, в котором основное количество углерода (более 0,8 %) находится в виде цементита;
§ серый чугун, в котором весь углерод или его большая часть находится в свободном состоянии в виде пластинчатого графита;
§ отбелённый чугун, в котором основная масса металла имеет структуру серого чугуна, а поверхностный слой – белого;
§ высокопрочный чугун, в котором графит имеет шаровидную форму;
§ ковкий чугун, получающийся из белого путём отжига, при котором углерод переходит в свободное состояние в виде хлопьевидного графита.
Микроструктура чугуна состоит из металлической основы (матрицы) и графитовых включений, которыми и определяются свойства чугуна чугуны содержат следующие структурные составляющие (рис.19):
§ графит –Г;
§ перлит – П;
§ феррит – Ф;
§ ледебурит – Л;
§ фосфидную эвтектику.
По микроструктуре различают:
§ белый чугун I (Ц+Г);
§ серый перлитный чугун II (П+Г);
§ серый ферритный чугун III (Ф+Г);
§ половинчатый чугун II а (П+Ц+Г);
§ высокопрочный чугун IV (П+шаровидный графит) (рис.19).
Структура металлической основы определяет твёрдость чугуна.
Углерод в составе чугуна, в зависимости от его химического строения, влияет на механические свойства чугуна (наиболее прочный чугун с шаровидной формой графита).
Кремний способствует графитизации чугуна. Изменяя его содержание и скорость охлаждения отливки, можно получить чугун различной структуры.
Марганец препятствует графитизации и нейтрализует вредное влияние серы, образуя с ней тугоплавкие соединения.
Фосфор не оказывает влияния на процесс графитизации. При повышенном содержании фосфора в структуре чугуна образуются твёрдые включения фосфидной эвтектики, повышающей его литейные свойства.
Сера – вредная примесь. Она ухудшает литейные свойства чугуна, увеличивает усадки, повышает склонность к трещинообразованию, снижает температуры красноломкости.
Методы производство чугуна
Черная металлургия — это отрасль тяжелой промышленности, связанная с производством чугуна и стали из природного сырья.
Железные руды являются основным исходным сырьем для выплавки чугуна. К основным операциям подготовки руды относятся дробление, классификация, обогащение и агломерация.
Флюсы предназначены для обеспечения плавки руды и для связывания пустой породы, неизбежно остающейся в руде после процесса рудоподготовки. В качестве флюсов при производстве чугуна применяют обычно известняк и кремнезем. Они сплавляются с пустой породой и золой топлива и образуют легкоплавкий сплав-шлак, не смешивающийся с жидким чугуном.
Топливо при выплавке чугуна является не только источником тепла, но и принимает участие в окислительно-восстановительных реакциях, протекающих в процессе плавки. Основным видом топлива доменных печей является каменноугольный кокс. Применение в качестве топлива природного газа позволяет значительно снизить стоимость чугуна.
Процесс получения чугуна осуществляется в доменных печах. Сырые материалы доменной плавки, взятые в необходимых соотношениях, составляют шихту. Чугун является первичным продуктом, получаемым из исходного сырья. Получение чугуна основано на извлечении железа из руд с помощью различных окислительно-восстановительных реакций. В дальнейшем чугун используется как исходное сырье для получения стали.
Доменная плавка до настоящего времени является практически единственным промышленным способом получения железоуглеродистых сплавов из железных руд.
Основными продуктами доменной плавки являются:
§ передельный чугун - выплавляется для передела в сталь. Его производство составляет около 90 % от общего объема производимого чугуна. Углерод в этих чугунах химически связан в Fe3C
§ литейный чугуны, - используется после переплавки для производства различных чугунных отливок. Это чугун с повышенным содержанием кремния (до 3,7 %), улучшающего литейные свойства чугуна. Литейный чугун мягок, на изломе имеет серый цвет. Углерод, входящий в его состав, находится преимущественно в свободном состоянии, в виде графита
§ ферросплавы - отличаются от передельных чугунов повышенным содержанием кремния, марганца и некоторых других элементов. Они предназначены для добавки в шихту в качестве раскислите лей при выплавке стали.
2.2.1.3 Сорта чугуна и его применение для химического машиностроения
Правила Госгортехнадзора и ОСТ 26-291—71 регламентируют использование чугунного литья для работы при следующих параметрах:
§ серый чугун при температуре от —15 до +250°С и давлении до 1 МПа;
§ щелочестойкий чугун при температуре от —15 до +3000С и давлении до 1 МПа;
§ ферросилид при температуре от 0 до +700°С и давлении до 2,5 МПа.
Детали из чугуна изготавливают методом литья в земляных и металлических формах. Из чугуна получают детали сложной конфигурации, которые невозможно получить другими методами, например, ковкой или резанием.
Наибольшее применение получили следующие виды чугунов.
Серый чугун – сплав железа, углерода и добавок(кремния, марганца, фосфора и серы). Содержание углерода колеблется от 2,8 до 3,7%, большая часть находится в свободном состоянии (графит).
Это ценный конструкционный материал, так как, имея сравнительно низкую стоимость, он обладает неплохими механическими свойствами, но низкой химической стойкостью, поэтому детали из него не могут работать в агрессивных средах Существенным недостатком серых чугунов является их низкая пластичность. Поэтому ковка и штамповка серого чугуна даже в нагретом состоянии невозможна.
Согласно ГОСТ 1412—85 маркируется буквами «С» - серый, «Ч» - чугун, первое число после букв показывает среднее значение предела прочности чугуна при растяжении, а второе – предел прочности на изгиб, например, СЧ 20 чугун серый, предел прочности при растяжении 200 МПа.
По своим свойствам серые чугуны можно разделить на группы:
§ ферритные и ферритно-перлитные (марки СЧ 10, СЧ 15), применяют для изготовления малоответственных ненагруженных деталей машин;
§ перлитные (марки СЧ 20, СЧ 25, СЧ 30) используют для изготовления износостойких деталей, эксплуатируемых при больших нагрузках; поршней, цилиндров, блоков двигателей;
§ модифицированные (марки СЧ 35, СЧ 40, СЧ 45), получают добавлением перед разливкой в жидкий серый чугун присадок ферросилиция, такие чугуны имеют перлитную металлическую матрицу с небольшим количеством изолированных пластинок графита; [магниевый чугун (СМЧ) обладает прочностью литой стали и высокими литейными свойствами, из него изготовляют детали, подвергаемые ударам, воздействию переменных напряжений и интенсивному износу, например, коленчатые валы легковых автомобилей].
В химическом машиностроении применяются чугуны марок: СЧ 00; СЧ 12-28, СЧ 15-32, СЧ 18-36, СЧ 21-40, СЧ 24-44, СЧ 28-48, СЧ 32-52, СЧ 36-56, СЧ 40-60, СЧ 44-64.
Из чугуна первых двух марок изготовляют незагруженные детали простой конфигурации, а из остальных — ответственные детали сложной конфигурации, работающие со слабоагрессивными средами.
Высокопрочный чугун (ВЧ) является разновидностью ковкого чугуна, высокие прочностные характеристики которого достигаются модифицированием присадками магния и его сплавов, а также графит в нём шаровидный. Химический состав и свойства высокопрочных чугунов регламентируются ГОСТ 7293-85 и маркируются буквами «В » - высокопрочный, «Ч » - чугун и числом, обозначающим среднее значение предела прочности при растяжении. Например, ВЧ 100 высокопрочный чугун, предел прочности при растяжении 1000 МПа
ВЧ идёт на изготовление коленчатых валов, зубчатых колёс, цилиндров малых компрессоров и других фасонных тонкостенных деталей.
Белые чугуны характеризуются тем, что у них весь углерод находится в химически связанном состоянии – в виде цементита. Излом такого чугуна имеет матово-белый цвет. Наличие цементита придаёт высокие твёрдости, хрупкость и очень плохую обрабатываемость режущим инструментом. Высокая твёрдость обеспечивает высокую износостойкость, в том числе и при воздействии абразивных сред, что учитывается при изготовлении из них поршневых колец. Однако его применяю, в основном, для отливки деталей с последующим отжигом на ковкий чугун.
Ковкий чугун (КЧ) получается путём отжига белого чугуна определённого химического состава, отличающегося от серого пониженным содержанием графитизирующих элементов (2,4 -2,9% С и 1,0 – 1,6% Si), так как в литом состоянии необходимо получить полностью отбеленный чугун по всему сечению отливки, что делает его более пластичным, способным выдерживать значительные деформации (относительное удлинение КЧ составляет 3-10 %). Его механические свойства и рекомендуемый химический состав регламентирует ГОСТ 1215-79. ковкие чугуны маркируют Буквами КЧ (ковкий чугун) и цифрами. Первая группа цифр показывает предел прочности при растяжении, вторая – относительное его удлинение при разрыве. Например, КЧ 33-8 означает: ковкий чугун с пределом прочности при растяжении 330 МПа и относительным удлинением при разрыве 8%.
Различают чёрносердечный и белосердечный чугуны.
Марки: КЧ 30-6, КЧ 33-8, КЧ 35-10, КЧ 37-12, КЧ 45-6, КЧ 50-4, КЧ 56-4, КЧ 60-3 и КЧ 63-2. КЧ используют для изготовления мелких и средних тонкостенных отливок ответственного назначения: детали приводных механизмов, коробок передач, тормозных колодок, шестерён, ступиц и т.п.
Лигированные чугуны. Широкое применение в химическом машиностроении имеют легированные чугуны, в состав которых входят легирующие элементы: никель, хром, молибден, ванадий, титан, бор и др.
Химический состав, механические свойства при нормальных температурах и рекомендуемые виды термической обработки легированных чугунов регламентируются ГОСТ 7769-82. в обозначении марок легированных чугунов буквы и цифры, соответствующие содержанию элементов, те же, что и в марках сталей.
По суммарному содержанию легирующих добавок чугуны делят на три группы:
§ низколегированные – легирующих добавок до 3 %;
§ среднелегированные - легирующих добавок от 3 до 10 %;
§ высоколегированные - легирующих добавок более 10 %;
Легирование позволяет существенно улучшить качество чугуна и придать ему особые свойства. Например, введение никеля, хрома, молибдена, кремния повышает химическую стойкость и жаропрочность чугуна; никелевые чугуны с добавкой меди (5-6 %) надёжно работают со щёлочами; высокохромные (до 30 % Cr) устойчивы к действию азотной, фосфорной и уксусной кислот, а также хлористых соединений; чугун с добавкой молибдена до 4 % (антихлор) хорошо противостоит действию соляной кислоты.
Износостойкие чугуны, легированные никелем (до 5%) и хромом (0,8%), применяют для изготовления деталей, работающих в абразивных средах. Чугуны (до 0,6% Cr и 2,5% Ni) с добавлением титана меди, ванадия, молибдена обладают повышенной износостойкостью в условиях трения без смазочного материала. Их используют для изготовления тормозных барабанов автомобилей, дисков сцепления, гильз цилиндров и др.
Щелочестойкие чугуны маркируются СЧЩ1 и СЧЩ2; из них изготовляют детали и узлы машин и аппаратов для работы с водными растворами щелочей NaOH и КОН при давлении до 1 МПа и температуре от —15 до +300°С.
Ферросилиды С15, С17 (ГОСТ 2233—70) и антихлор МФ-15. Из них выполняют детали и узлы простой конфигурации для работы с сильно агрессивными средами (соляная, азотная и серная кислоты) при давлении до 0,25 МПа и температуре от 0 до +700°С.
При проектировании следует учитывать, что кремнистые чугуны очень хрупки, чувствительны к колебаниям температуры и трудно обрабатываются резанием. Поэтому изделия из них изготовляют отливкой, предусматривая плавные переходы.
Жаростойкие легированные чугуны ЧХ 2, ЧХ 3 применяют для изготовления деталей контактных аппаратов химического оборудования, турбокомпрессоров, эксплуатируемых при температуре 600оС (ЧХ 2) и 700оС (ЧХ 3).
Жаропрочные легированные чугуны марок ЧНМШБ, ЧНIIГ7Х2Ш с шаровидным графитом работоспособны при температурах 500-600оС и применяются для изготовления деталей дизелей, компрессоров и др.
ЖЧХ-0,8; ЖЧХ-1,5; ЖЧ6-5,5 (ГОСТ 7769—63) применяют для изготовления деталей, работающих при высокой температуре (соответственно до +550; 600 и 800°С), а также деталей, не нагруженных давлением.
Жаростойкий и коррозионностойкий чугун ЧН15Д7Х2 (ГОСТ 11849—66) применяют для изготовления деталей, работающих при повышенных температурах (от +100 до +600° С) в агрессивных средах. Применяются марки ЧНМШ, ЧНIIГ7Х2Ш при температурах 500-600оС, ЧХ1, ЧНХТ, ЧНХМД, ЧН2Х. Их применяют для изготовления узлов трения, поршневых колец и др.
Антифрикционные чугуны. Для их легирования используют хром, медь, никель, титан. ГОСТ 1585-85 включает шесть марок антифрикционного серого чугуна АЧС-1 - АЧС-6, две марки высокопрочного (АЧВ-1, АЧВ-2) и две марки ковкого (АЧК-1, АЧК-2). Они служат для отливки деталей подшипниковых узлов трения.