2.3 Отливки из высококремнистых чугунов

2.3.1 Влияние химического состава на структуру и свойства

В системе сплавов Fe – Si образуются следующие фазы:

- γ-фаза – твёрдый раствор кремния в γ- железе (максимальная растворимость кремния в γ- железе достигает 2,15 %);

- бα-фаза – твёрдый раствор кремния в α- железе (максимальная растворимость кремния в α- железе при 20 С составляет 15,2 % Si).

При содержании кремния выше 15,2 % образуется интерметаллид типа Fe_mSi_n. Интерметаллид Fe₃Si₂ содержит 25,09 % Si. Фаза η – химическое соединение Fe₅Si₃, содержит 24,1% Si, фаза ε – химическое соединение FeSi, содержит 33,3 % Si.

Чугуны с высокими добавками кремния называют ферросилидами. Их стойкость против коррозии объясняется образованием оксидной пассивной плёнки из гидратированных оксидов кремния на поверхности отливки и наличием однородной структуры.

Увеличение концентрации углерода в чугунах улучшает их механические свойства, но ухудшает коррозионные.

Легирование кремнистых чугунов Mn, Ni, Cr, Pb улучшают обрабатываемость, но ухудшают химическую стойкость сплавов.

Фосфор и сера отрицательно влияют на свойства ферросилидов.

Молибден при содержании 2,5 - 4,0 % повышает стойкость кремнистых чугунов в соляной кислоте любой концентрации.

Медь повышает механические свойства ферросилидов, но ухудшает его коррозионную стойкость.

Бор измельчает структуру и улучшает механические свойства.

2.3.2 Марки кремнистых коррозионностойких чугунов, их основные свойства, области применения

ГОСТ 7769 – 87 предусматривает пять марок кремнистых чугунов, отличающихся прежде всего содержанием кремния, углерода и тем, что в некоторых марках имеется молибден (табл. 2.5).

Чугуны марок ЧС13, ЧС15, ЧС17 (ферросилиды) имеют структуру, состоящую из твёрдого раствора кремния и силицидов кремния в α-Fe и включений точечного графита.

Таблица 2.5

Химический состав высококремнистых чугунов по ГОСТ 7769-82

Марка чугуна	Содержание элементов, %
	С	Si	Mn	P	S	Mo
ЧС13	0,6-1,4	12,0-14,0	0,8	≤0,10	≤0,07	-
ЧС15	0,3-0,8	14,0-16,0	0,8	≤0,10	≤0,07	-
ЧС15М4	0,5-0,9	14,0-16,0	0,8	≤0,10	≤0,10	3,0-4,0
ЧС17	0,3-0,5	16,1-18,0	0,8	≤0,10	≤0,07	-
ЧС17М3	0,3-0,6	16,0-18,0	1,0	≤0,30	≤0,10	2,0-3,0

Чугуны марок ЧС15М4, ЧС17М3 дополнительно легированы молибденом (антихлоры), имеют такую же структуру, что и ферросилиды, однако молибден повышают коррозионную стойкость в ряде сред и, особенно, в соляной кислоте любой концентрации.

Таблица 2.6

Механические свойства высококремнистых чугунов

Марки	σв, МПа	σизг, МПа	НВ
ЧС13	≤100	≤210	294-399
ЧС15	≤60	≤170	294-390
ЧС15М4	≤60	≤140	390-450
ЧС17	≤40	≤140	390-450
ЧС17М3	≤50	≤100	390-450

Механические свойства высококремнистых чугунов (табл. 2.6) очень низкие, особенно марки ЧС17. Минимально допустимые по стандарту значения предела прочности при растяжении не превышают 100 МПа. При этом твёрдость достаточно высокая: НВ 294-450. Ударная вязкость ферросилидов на образцах без надреза не превышает КС ≤ 5 Дж/см².

Модифицирование увеличивает механические свойства этих чугунов за счёт десульфурации, рафинирования и придания графиту компактной формы. Модифицированный чугун отличается мелкокристаллической структурой, а отливки повышенной плотностью (модификаторы Mg, Ce).

Физические свойства высококремнистых чугунов характеризуются прежде всего низкой теплопроводностью – в 2 раза ниже, чем у серых чугунов. Плотность высокохромистого чугуна с 15 % Si составляет 6,95 г/см³. При увеличении или уменьшении концентрации кремния на 1 % плотность соответственно уменьшается или увеличивается на 0,1 г/см³.

Коэффициент линейного расширения (α·10^-6/К) ферросилидов в интервале температур составляет:

20-100 ⁰С – 3,6, 20-200 ⁰С – 4,0

20-300 ⁰С – 6,75, 20-400 ⁰С – 7,15,

20-500 ⁰С – 7,75, 20-600 ⁰С – 9,0-10,0

Чугуны ЧС13, ЧС15, ЧС17 обладают высокой коррозионной стойкостью при температуре до 300 ⁰С в концентрированных и разбавленных кислотах, растворах щелочей, солей, кроме фтористоводородных и фтористых соединений.

В окислительных кислотах (азотной, серной, хромовой) ферросилиды имеют весьма высокую стойкость, которая зависит от содержания в них кремния, при увеличении концентрации которого коррозионная стойкость их увеличивается.

Ферросилиды стойки также в органических кислотах (уксусной, муравьиной, молочной, лимонной) при различных концентрациях и температурах. В чистой фосфорной кислоте ферросилиды обладают высокой стойкостью, а в технической фосфидной кислоте сплавы не стойки.

Высококремнистые чугуны обладают высокой коррозионной стойкостью в морской воде, в грунтовых водах в условиях анодного растворения, что позволяет применять их для изготовления электродов анодной защиты.

Высококремнистые чугуны с молибденом (антихлоры) иногда дополнительно легируют никелем до 2,5 %. «Антихлоры» устойчивы в HCl любой температуры и концентрации, в HNO₃ любой концентрации, в лимонной, серной, фосфорной кислотах.

Не рекомендуется применять «антихлоры» в присутствии брома, паров плавиковой кислоты.

Рекомендуемые условия работы и области применения данных чугунов приведены в табл. 2.7.

Таблица 2.7

Применение высококремнистых чугунов по ГОСТ 7769-82

Марка чугуна	Условие работы	Область применения
ЧС13 ЧС15 ЧС17	Коррозионные среды; концентрированные и разбавленные кислоты, растворы солей, щелочей (кроме фтористоводородных и фтористых) до 3000С; не допускаются механические и термические удары.	Простые по конфигурации детали центробежных насосов, компрессоров, трубопроводов, арматуры, другие детали химической аппаратуры.
ЧС15М4 ЧС17М3	Особо высокая коррозионная стойкость в серной, азотной, соляной кислотах разной концентрации и температуры, водных растворов щелочей и солей при местном перепаде температур до 30 К в теле детали при отсутствии динамических, переменных и пульсирующих нагрузок.	Простые по конфигурации детали, центробежных и поршневых насосов, компрессоров, трубопроводов, детали химической аппаратуры.