Глава 3. Отливки из жаростойких чугунов

3.1. Общая характеристика

Обычные низколегированные серый, ковкий, высокопрочный чугуны при нагреве в окислительной среде корродируют, а в ре­зультате графитизации увеличивают объем.

Специальные жаростойкие легированные чугуны значительно меньше подвержены окислению и росту при нагреве в окисли­тельных газовых средах.

Согласно ГОСТ 7769 - 82 жаростойкие чугуны должны уве­личивать массу в результате окисления не более 0,5 г/(м²_*ч) и иметь рост не более 0,2 % при температуре эксплуатации в те­чение 150 ч.

Легированные чугуны при определенном содержании в них алюминия, кремния, хрома, никеля имеют повышенную жаро­стойкость. Такие легирующие элементы, как алюминий, крем­ний, хром, обеспечивают образование на поверхности чугуна плотных оксидов железа, шпинелей, а также собственных окси­дов, защищая ее от коррозии. Кроме того, они обеспечивают стабильность структуры при нагреве, снижая рост чугуна.

В соответствии с ГОСТ 7769 - 82 к жаростойким относятся хромистые, кремнистые, алюминиевые чугуны с пластинчатым и шаровидным графитом. Высоконикелевые коррозионностойкие и жаропрочные чугуны также обладают высокой жаростой­костью, хотя их применение в качестве жаростойких ограничи­вается из-за высокой цены и дефицитности никеля.

Высокохромистые белые чугуны и высокоалюминиевые чу­гуны имеют наиболее высокий уровень жаростойкости, однако их применение ограничивается из-за плохой обрабатываемости, склонности к образованию трещин в отливках и дефектов ввиде пористости и плен.

Более дешевые и технологичные хромистые, алюминиевые чугуны с пониженным содержанием алюминия в определенных условиях работы обеспечивают экономически оправданный уро­вень жаростойкости литых деталей.

Жаростойкость оценивается по двум показателям: окалиностойкости и ростоустойчивости.

О ростоустойчивости чугуна судят по относительному изме­нению размеров образца при нагреве. Методика испытания чу­гуна на рост приведена в ГОСТ 7769 - 82.

Окалиностойкость, в соответствии с тем же стандартом, оп­ределяют весовым методом или непосредственным измерением глубины корродированного слоя.

3.2. Отливки из алюминиевых чугунов

3.2.1. Формирование структуры

Сплавы железа с алюминием, содержащие до 36 % Аl, обра­зуют непрерывный ряд твердых растворов.

В системе Fe – Аl - С образуются углеродсодержащие фазы: графит, Fe₃AlC_x (часто обозначаемая , К или ε-фаза) и кар­бид алюминия Al₄С₃.

Чугуны, содержащие до 32 % Al имеют две области с со­держанием до 8 и от 18 до 26 % Аl, в которых углерод кристал­лизуется в виде графита. При содержании алюминия 9 - 17 % практически весь углерод кристаллизуется в виде соединения Fe₃AlC_x, а при содержании более 26 % Аl - Аl₄С₃. По мере увеличения содержания алюминия в чугуне снижа­ется растворимость углерода, а при содержании алю­миния 30 % содержание углерода не превышает 1,5 %. Избыток углерода сверх его растворимости выделяется в виде графито­вой спели при охлаждении и кристаллизации чугуна.

Алюминий снижает также растворимость углерода в - железе, однако в значительно меньшей степени, чем в жидком чугуне.

Для сплавов, содержащих 4 - 8 % Аl, характерна перлитоферритная матрица, причем количество легированного алюми­нием феррита (α-фаза) увеличивается по мере повышения со­держания алюминия.

Структура чугунов, содержащих 10 - 17 % Аl, состоит из  - фазы и фазы Fe₃AlC_x, отличающейся высокой микротвердостью (640 - 850 HV). Микротвердость α-фазы 360 - 400 HV. Количество фазы Fe₃AlC_x зависит от содержания алюминия и углерода. С увеличением алюминия до 13 - 14 % количество ее растет, а затем постепенно уменьшается.

При содержании углерода менее 1 % количество фазы Fe₃AlC_x сравнительно невелико, и она располагается по грани­цам зерен  - фазы. Увеличение содержания углерода приводит к появлению сплошной сетки фазы Fe₃AlC_x, а затем к образо­ванию структуры эвтектического строения, состоящей из смеси α и Fe₃AlC_x фаз. Такие чугуны отличаются высокой твердостью и хрупкостью, практически не обрабатываются ре­занием и поэтому, несмотря на высокую жаростойкость, не на­шли применения в промышленности.

При модифицировании чугунов, содержащих 10 - 17% Аl 0,3 - 0,6 % титана количество фазы Fe₃AlC_x снижается в срав­нении с первоначальным за счет ее графитизации, и в струк­туре появляются включения пластинчатого графита. Макси­мальный эффект графитизации достигается при модифициро­вании 0,5 % Ti.

Модифицирование силикокальцием также способствует гра­фитизации чугуна. В чугуне, содержащем 9 и 17 % Аl, присад­кой 1 - 1,5 % силикокальция можно добиться полной графитиза­ции фазы Fe₃AlC_x.

Металлическая основа сплавов, содержащих 9 - 10 % Аl, в равновесном состоянии (после длительного отжига) состоит из -фазы Fe₃AlC_x. При содержании в таких сплавах углерода более 2 % в структуре одновременно присутствует графит. Фаза Fe₃AlC_x имеет непостоянный состав, изменяющийся при нагреве до высоких температур. Сплавы с более высоким содержанием алюминия (15%) в состоянии равновесия при любом содержа­нии углерода образуют структуру, состоящую из  и Fe₃AlC_x фаз. В этих сплавах фаза Fe₃AlC_x достаточно стабильна, и при нагреве до 1100 °С наблюдается лишь частичное растворение ее. При быстром охлаждении эта фаза выделяется в более дисперсном виде.

Сплавы, содержащие 18--25 % Al, имеют преимущественно ферритную металлическую основу с включениями пластинча­того графита. Кроме того, вблизи нижней границы графитизированной области по содержанию алюминия появ­ляется фаза Fe₃AlC_x, а вблизи верхней — карбид Al₄C_3, причем соотношение количества этих фаз зависит от содержания угле­рода и кремния в чугуне.

При содержании более 25 % Аl структура чугуна состоит из трудно травящейся α-фазы и карбидов Аl₄Сз, имеющих форму прямоугольников или многоугольников, количество которых увеличивается по мере повышения содержания алю­миния. При содержании углерода более 0,75 % кристаллизация сплава начинается с выделения карбидов алюминия. Первич­ные карбиды алюминия представляют собой крупные включе­ния, расположенные вдоль осей дендритов. При температуре 1280 - 1260 °С образуется эвтектика, состоящая из α-фазы и карбида Аl₄Сз.

Включения карбидов Аl₄С₃ на нетравленом шлифе имеют обычно светло-серый цвет, иногда светло-синий или сине-зеленый в зависимости от длительности хранения шлифа. Микротвердость 950 - 1000 HV. На воздухе в присутствии атмо­сферной влаги карбид алюминия легко окисляется, покрывается цветами побежалости и растрескивается.