3.3. Отливки из хромистых жаростойких чугунов

3.3.1. Влияние хрома на жаростойкость чугунов

Легирование чугуна малыми добавками хрома (до 4 % Cr) повышает устойчивость эвтектического цементита при нагреве и уменьшает рост чугуна. Повышение окалиностойкости низкохромистых чугунов связано, прежде всего, с измельчением графита и уменьшением его количества в структуре. Однако в структуре таких чугунов может быть цементит. Его наличие приводит к повышению твёрдости и ухудшению обрабатываемости.

Чугуны с содержанием свыше 4 - 7 % Cr являются белыми. Большая часть хрома входит в состав цементита. При нагреве чугуна металлическая основа окисляется с образованием оксидов типа Fe₂O₃, не препятствующих дальнейшему окислению чугуна.

Наиболее существенное повышение жаростойкости хромистых чугунов достигается при содержании в них хрома более 15 %. При высоком содержании хрома при нагреве чугуна на поверхности образуется оксидная плёнка типа шпинели (FeO·Cr₂O₃), имеющая высокую плотность и прочное сцепление с металлической основой. В результате резко повышается окалиностойкость чугуна (рис. 3.1).

По мере повышения содержания хрома возрастает температура, при которой чугун сохраняет свою жаростойкость:

Cr, % 15-17 20-25 25-30 30-35

t, °C 900 1000 1100 1300

Чем выше содержание углерода в высокохромистом чугуне, тем больше образуется карбидов в его структуре. Поскольку большая часть хрома входит в состав карбидов, матрица обедняется хромом и снижается стойкость чугуна против окисления. Поэтому очень часто хромистые чугуны легируют более сильными карбидообразующими элементами, чем хром: Ti, V, Mo.

Рис. 3.1. Влияние хрома на окалиностойкость Fe-Cr сплавов с 1 % Si и 1 % C

3.3.2. Марки жаростойких хромистых чугунов, их основные свойства, области применения

Для изготовления жаростойких отливок применяются низко- и высокохромистые чугуны, марки которых приведены в ГОСТ 7769-82 (табл. 3.1).

Низкохромистые чугуны марок ЧХ1, ЧХ2, ЧХ3 содержат от 0,4 до 3,0 % Cr и имеют более высокую жаростойкость, чем обычные чугуны (серые). Эти чугуны должны иметь перлитную структуру с пластинчатым графитом. По мере повышения содержания хрома в структуре чугунов появляются включения эвтектического цементита. Для предотвращения образования цементита увеличивают содержание кремния и углерода, а также модифицируют чугун.

Чугун с содержанием хрома 0,8 - 1,0 % достаточно ростоустойчив при температурах до 700 °C, а с содержанием хрома 1-2 % – до 900 °C.

Механические свойства низкохромистых чугунов связаны с особенностями их структуры и сравнительно невелики. Фактическое значение σ_в может достигать 290 МПа при отсутствии в структуре большего количества эвтектического цементита и достаточно мелком графите. Твёрдость чугунов зависит от количества эвтектического цементита в структуре и может быть снижена за счёт термической обработки.

Высокохромистые чугуны марок ЧХ16, ЧХ28, ЧХ32 имеют более высокую жаростойкость, чем низкохромистые, благодаря стабильной структуре легированного белого чугуна и высокой окалиностойкости матрицы.

Структура чугуна ЧХ16 перлитноцементитная, а чугунов ЧХ28 и ЧХ32 – ферритоцементитная. Их жаростойкость увеличивается с повышением содержания хрома. Чугун ЧХ16 жаростоек до 900 °C, ЧХ28 – до 1100 °C, ЧХ32 – до 1200 °C. Прочность их существенно выше, чем низкохромистых чугунов.

Низкохромистые чугуны ЧХ1, ЧХ2, ЧХ3 жаростойки в воздушной окислительной среде при температурах до 700 °C, высокохромистые – до 1200 °C. Помимо высокой жаростойкости, высокохромистые чугуны ещё и износостойкие и применяются для деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания при высоких температурах в окислительных газовых средах (табл. 3.5).

Таблица 3.5

Основные эксплуатационные свойства и области применения хромистых жаростойких чугунов

Марки чугуна	Эксплуатационные свойства чугунов	Применение
ЧХ1	Жаростойкий в воздушной среде до 500 °C	Холодильные плиты доменных печей, колосники агломерационных машин, детали коксохимического оборудования, горелки, кокили, детали газотурбинных двигателей и компрессоров, формы для стекла, выхлопные коллекторы дизелей
ЧХ2	Жаростойкий в воздушной среде до 600 °C	Колосники и балки горна агломерационных машин, решётки трубчатых печей нефтеперерабатывающих заводов, детали термических печей, турбокомпрессоров, облицовочные плиты тушильных вагонов, детали стекломашин
ЧХ3	Жаростойкий в воздушной среде до 700 °C	Детали контактных аппаратов химического оборудования
ЧХ16	Жаростойкий в воздушной среде до 900 °C, износостойкий при нормальной температуре, устойчивый против воздействия неорганических кислот большой концентрации	Арматура химического машиностроения, печная арматура, детали цементных печей, колосники агломерационных машин
ЧХ28, ЧХ32	Жаростойкие до 1100-1200 °C. Высокое сопротивление абразивному изнашиванию. Коррозионностойкие	Детали центробежных насосов, реторты для цементации, сопла горелок, цилиндры, корпуса золотников, гребки печей обжига колчедана, колосники агломерационных машин

Металлургические основы получения отливок из низкохромистых чугунов связаны с особенностями их литейных свойств и, прежде всего, с повышенной склонностью к отбелу и образованию усадочных дефектов по мере увеличения содержания хрома. Чем выше содержание хрома в низкохромистых чугунах, тем более высокое содержание кремния требуется для снижения склонности к отбелу. Содержание кремния выбирается не только в зависимости от содержания хрома, но и с учётом толщины стенки отливки. Для уменьшения количества цементита, особенно в тонкостенных отливках, низкохромистые чугуны (ЧХ2, ЧХ3) необходимо модифицировать (ферросилицием, Р3М).

Увеличение содержания хрома в чугунах ЧХ1, ЧХ2, ЧХ3 приводит к увеличению линейной усадки от 1,25 % до 1,5 %, снижению жидкотекучести на 30-35 %.

Литейные свойства высокохромистых чугунов хуже, чем у низкохромистых и у обычных серых, но достаточны для получения тонкостенных отливок. Линейная усадка у них довольно высокая – 1,5-2,2 %. Жидкотекучесть в 2-3 раза хуже, чем у серых чугунов. Однако, в отличие от низкохромистых чугунов ЧХ1, ЧХ2, ЧХ3, жидкотекучесть высокохромистых чугунов повышается при увеличении содержания в них углерода и хрома.

Жаростойкие хромистые чугуны выплавляют в дуговых или индукционных печах. Лишь чугуны марок ЧХ1, ЧХ2, ЧХ3 можно выплавлять в вагранках.

Плавка ведётся как правило методом переплава, но может применяться и плавка на свежих шихтовых материалах. При этом, в случае использования в шихте высокоуглеродистых марок феррохрома ФХ800, ФХ650, ФХ400 рекомендуется перегрев расплава до 1500 °C и выдержку при этой температуре не менее 15 мин. Температура заливки зависит от толщины стенки отливки, типа литейной формы и содержания углерода. Для чугунов с карбидами (Fe, Cr)₇C₃ рекомендуемая температура заливки 1340-1360 °C для массивных отливок и до 1400 °C для тонкостенных отливок. Для низкохромистых чугунов температура заливки форм 1280-1340 °C.

Учитывая высокую склонность отливок из белых чугунов к образованию трещин, при проектировании технологии отливки необходимо предусматривать затруднение усадки стержнями и литниковой системой и обеспечивать снижение температурных градиентов между частями отливки.

Прибыли лучше ставить легкоотделяемые, так как их обрезка часто ведёт к образованию трещин. Допускается удаление остатков литников и заливов толщиной до 20 мм электровоздушной строжкой или абразивными кругами.

Широкое распространение получает литье таких чугунов в кокиль. Это обеспечивает повышение точности и чистоты отливок, снижение объёма очистки и механической обработки, повышение эксплуатационных свойств отливок.

Обрабатываемость резанием белых жаростойких чугунов сильно затруднена из-за большого количества карбидов в структуре. Чугуны с карбидами Me₃C практически не поддаются обработке лезвийным инструментом.

При обработке чугунов с карбидами Me₇C₃ (при Cr > 10 %) определённую роль играет металлическая основа. Если после отжига она имеет структуру мелкого зернистого перлита, чугун обрабатывается вполне удовлетворительно, несмотря на наличие в структуре карбидов.

Сложные отливки из белых износостойких чугунов, имеющие высокий уровень остаточных напряжений, как правило, загружают в печь для термической обработки при температуре не более 200 °C. Для массивных отливок и отливок сложной формы во время нагрева вводят выравнивающие температуры выдержки при 200, 400 и 600 °C по 2-3 часа. Охлаждение отливок после термической обработки, как правило, происходит на воздухе.