Справочник

Чугуны. Марки, свойства и их применение

Чугун – самый распространенный железоуглеродистый нековкий литейный материал, содержащий свыше 2% углерода, до 4,5% кремния, до 1,5% марганца, до 1,8% фосфора и до 0,08% серы. В практике применяют чугуны, содержащие 3÷3,5% углерода.

Чугун обладает высокими литейными свойствами, поэтому широко используется в литейном производстве в качестве конструкционного материала. Он хорошо обрабатывается резанием. Из чугуна, имеющего невысокий коэффициент трения, изготовляют подшипники скольжения. Специально обработанный чугун (высокопрочный) по показателям качества успешно конкурирует со стальным литьем и кованой сталью.

Недостаточная прочность и большая хрупкость чугуна объясняются наличием в нем крупных включений углерода в виде графита.

Введение в жидкий чугун небольшого количества магния и церия изменили форму графита, он стал шаровидным. Чугун приобрел прочность и утратил хрупкость. Такой чугун (его называют высокопрочным) по-своему качеству не уступает конструкционным углеродистым сталям. Стойкость деталей, изготовленных из этого чугуна, увеличилась почти в три раза.

Чугун

Углерод в чугунах может находиться в виде химического соединения – цементита (такие чугуны называют белыми) или частично или полностью в свободном состоянии в виде графита – (такие чугуны называют серыми).

Чугуны состоят из металлической основы (перлита, феррита) и неметаллических включений графита. Они различаются главным образом формой графитовых включений. Белый чугун имеет ограниченное применение. Некоторые отливки, от которых требуется повышенная твердость поверхностного слоя, изготовляют из отбеленного чугуна. Поверхностный слой его состоит из белого чугуна, а сердцевина – из серого. Величину и твердость отбеленного слоя регулируют путем изменения химического состава чугуна и скорости затвердевания отливки.

Чугун серый

Серый чугун широко применяется в машиностроении. Такое название он получил по серому цвету излома, обусловленному наличием в структуре чугуна свободного углерода в виде графита. По виду металлической основы различают серые чугуны перлитные, перлитно-ферритные и ферритные.

Таблица 1. Чугуны серые литейные, их основные свойства и применение

Марка σв МПа НВ Свойства и применение
Сч10 275 139-274 Малоответственные отливки с толщиной стенок до 15 мм (корпуса, крышки, кожухи и др.), детали, для которых прочностная характеристика не является обязательной,- опоки, арматуру, рамки, сковороды, декоративные детали, массивные строительные колонны, фундаментные плиты
СЧ15 314 160-224 Малоответственные отливки с толщиной стенок 10 – 30 мм (трубы, корпуса клапанов, вентили при давлении – до 20 МПа и др.), корпусные малонагруженные детали, подмоторные плиты, рычаги, шкивы, маховики, емкости для масла и охлаждающей жидкости, корпуса фильтров, фланцы, крышки, звездочки цепных передач
СЧ18 354 167-224 Ответственные отливки с толщиной стенок 10 – 20 мм (шкивы, зубчатые колеса, станины, суппорты и др.)
СЧ20 397 167-236 Ответственные отливки с толщиной стенок до 30 мм (блоки цилиндров, поршни, тормозные барабаны, каретки и др.), для изготовления базовых корпусных деталей повышенной прочности и износостойкости, деталей, к которым предъявляются требования герметичности при давлении до 8 МПа (80 кгс/см2), корпусов, коробок передач, шпиндельных бабок, балансиров, планшайб, гильз, кареток, цилиндров, насосов, золотников, арматуры, компрессоров
СЧ25 450 176-245 Ответственные отливки с толщиной стенок до 40 мм (кокильные формы, поршневые кольца и др.), для изготовления базовых корпусных деталей повышенной прочности и износостойкости, деталей, к которым предъявляются повышенные требования к герметичности
СЧ3О 490 177-250 Ответственные отливки с толщиной стенок до 60 мм (поршни, гильзы дизелей, рамы, штампы и др.), для изготовления кронштейнов, салазок столов и суппортов, деталей с поверхностной закалкой, цилиндров, корпусов насосов, дизелей и двигателей внутреннего сгорания, поршневых колец, коленчатых и распределительных валов
СЧ35 СЧ45 540 193-264 Ответственные высоконагруженные отливки с толщиной стенок до 100 мм (малые коленчатые валы, детали паровых двигателей и др.) деталей, для изготовления к которым предъявляются требования герметичности при давлении свыше 8 МПа

Графит обладает низкими механическими свойствами. Он нарушает целостность металлической основы. Располагаясь между зернами металлической основы, графит ослабляет связь между ними. Поэтому серый чугун плохо сопротивляется растяжению и имеет очень низкую пластичность и вязкость. Чем крупнее и прямолинейнее графитовые включения, тем хуже механические свойства чугуна. Твердость серого чугуна, а также его сопротивление сжатию близки к показателям стали, имеющей такую же структуру, как у металлической основы чугуна.

Графит оказывает и некоторое положительное влияние на свойства чугуна, в частности, он повышает его износостойкость, действуя аналогично смазке, повышает обрабатываемость резанием, так как делает стружку ломкой, способствует гашению вибраций изделий, уменьшает усадку при изготовлении отливок.

Механические свойства серого чугуна могут быть улучшены равномерным распределением мелкопластинчатого графита в отливке. Это достигается путем специальной обработки – модифицирования, когда в жидкий чугун перед его разливкой вводят добавки, которые образуют дополнительные центры графитизации, в результате чего получается мелкопластинчатый графит. Чугун с таким графитом называют модифицированным. От обычного серого чугуна он отличается более высоким сопротивлением разрыву, однако пластичность и вязкость его при модифицировании не улучшаются.

По ГОСТ 1412-85 буквы СЧ в обозначении марки чугуна означают – серый чугун. Двузначная цифра соответствует пределу прочности при растяжении σв МПа. Стандарт нормирует предел прочности серых чугунов σв = 274÷637 МПа, твердость – 143÷637 НВ и химический состав.

Основные свойства серого чугуна и его применение приведены в таблице 1.

Чугун высокопрочный с шаровидным графитом

Высокопрочный чугун получают путем введения магния (до 0,9%) и церия (до 0,05%) в жидкий серый чугун перед разливкой его в формы. Основная часть этих модификаторов испаряется, окисляется и переходит в шлак, так что в твердом металле обнаруживается не более 0,01% этих элементов. Магний и церий активно удаляют из чугуна серу. Но главная роль их заключается в том, чтобы изменить чешуйчато-пластинчатую форму графита на шаровидную. После модифицирования чугуна магнием или церием в ковш добавляют 75%-ный ферросилиций (сплав железа с кремнием). В отличие от модифицированного серого чугуна высокопрочный чугун имеет более высокое содержание углерода и кремния и пониженное содержание марганца.

Металлическая основа высокопрочного чугуна состоит из феррита и перлита или только из перлита. В этом чугуне сочетаются ценные свойства стали и чугуна. Он обладает сравнительно высокой прочностью при достаточной пластичности и вязкости. Высокопрочный чугун с успехом заменяет стальное литье и даже стальные поковки, что дает большой экономический эффект. Изделия из высокопрочного чугуна благодаря его повышенной износостойкости могут работать в условиях трения. Высокопрочный чугун лучше, чем серый, сохраняет свою прочность при нагреве, поэтому может применяться для работы при температурах до 400°С (серый чугун выдерживает температуру до 250°С).

ГОСТ 7293-85 нормирует предел прочности σв, предел текучести σт, относительное удлинение δ и твердость НВ высокопрочных чугунов. Требования к отливкам из этих чугунов устанавливаются нормативно-технической документацией. Принцип маркировки высокопрочных чугунов (ВЧ) отличается от маркировки серых чугунов. В обозначение их марки входят два числа – первое указывает предел прочности на разрыв, второе – относительное удлинение. Например, марка чугуна ВЧ 42-12 означает, что данный чугун имеет предел прочности σв = 412 Н/мм2 (42 кгс/мм2) и относительное удлинение δ =12%.

Стандарт предусматривает 10 марок высокопрочных чугунов: ВЧ 38-17, ВЧ 42-12, ВЧ 45-5, ВЧ 50-7, ВЧ 50-2, ВЧ 602, ВЧ 70-2, ВЧ 80-2, ВЧ 100-2, ВЧ 120-2. Стандарт или справочник дает дополнительные сведения об этом чугуне: предел текучести σт = 274 Н/мм2 (28 кгс/мм2), твердость-140÷200 НВ.

Из высокопрочных чугунов изготовляют многие детали (в том числе фасонные), которые ранее получали из стали, базовые и корпусные детали повышенной прочности (корпуса и станины станков, крупные планшайбы, гильзы, каретки, цилиндры, кронштейны, зубчатые колеса, накладные направляющие станков и детали с поверхностной закалкой). Они заменяют стали Сталь 20Л, 25Л, ЗОЛ и 35Л.

Чугун ковкий

В структуре ковкого чугуна графит имеет хлопьевидную форму. Такой графит называют углеродом отжига. По сравнению с серым чугуном ковкий чугун обладает более высокой прочностью, пластичностью и вязкостью. Свое название он получил потому, что имеет повышенную пластичность. Ковке в прямом понимании этого слова чугун не подвергается.

Процесс получения отливок из ковкого чугуна включает две стадии: изготовление фасонных отливок из белого чугуна и отжиг полученных отливок с целью графитизации цементита. При отжиге происходит разложение цементита белого чугуна с образованием графита хлопьевидной формы. В результате этого хрупкие и твердые отливки становятся пластичными и более мягкими. В зависимости от условий и режима отжига структура чугуна может иметь ферритную (Ф), перлитную (П) и ферритно-перлитную металлическую основу. Наибольшее распространение получил пластичный ферритный ковкий чугун. Отжиг ковкого чугуна-весьма продолжительный процесс, занимающий 70-80 ч. Однако его можно ускорить путем закалки отливок из белого чугуна перед графитизацией, а также модифицированием чугуна алюминием, бором, висмутом или титаном. Существуют и другие способы ускорения процесса отжига. Использование указанных способов позволяет сократить продолжительность отжига до 35-40 ч.

Таблица 2. Чугуны ковкие, их основные свойства и применение

Марка НВ Свойства и применение
КЧ 35-10 КЧ37-12 160 Чугуны ферритного класса используют для производства деталей,

эксплуатируемых при высоких динамических и статических нагрузках

(картеров, редукторов, ступиц, крюков, скоб, задних мостов, кронштейнов)

КЧ 30-6

КЧ 33-8

160 Для изготовления менее ответственных деталей

(хомутов, гаек, вентилей, деталей сельскохозяйственных машин,

глушителей, фланцев, муфт, тормозных деталей, педалей,

гаечных ключей, колодок, кронштейнов)

КЧ 45-7 203 Ковкие чугуны перлитного класса марок обладают высокой прочностью,

умеренной пластичностью и хорошими антифрикционными свойствами.

Из них получают вилки карданных валов, шестерни, червячные колеса,

поршни, подшипники, звенья и ролики конвейерных цепей, втулки,

муфты, тормозные колодки, коленчатые валы

КЧ 50-5 226
КЧ 55-4 236
КЧ 60-3 264
КЧ 65-3 264
КЧ 70-2 280
КЧ 80-1,5 314

По ГОСТ 1215-79 маркируется ковкий чугун по тому же принципу, что и высокопрочный. Например, марка чугуна КЧ 33-8 означает, что данный чугун имеет предел прочности σв = 32.4 Н/мм2 (33 кгс/мм2) и относительное удлинение δ =8 %.

Отливки из ковкого чугуна можно получить с сечением до 55 мм. При большем сечении в сердцевине отливок образуется пластинчатый графит и чугун становится не пригодным для отжига. В машиностроении чаще применяют высокопрочный чугун, который получают при менее сложных и более дешевых технологических процессах, чем процессы производства ковкого чугуна.

Основные свойства ковкого чугуна и его применение приведены в таблице 2.

Чугун легированный

Свойства чугуна можно улучшить путем введения в его расплав легирующих элементов, оказывающих благоприятное влияние не только на его металлическую основу, но также на форму и размеры графитных включений, способствующих значительному измельчению структуры чугуна.

Требования к легированным чугунам для отливок с повышенной жаростойкостью, коррозионной стойкостью, износостойкостью или жаропрочностью регламентированы ГОСТ 7769-82. По основному легирующему элементу чугуны со специальными свойствами подразделяют на пять видов: хромистые, кремнистые, алюминиевые, марганцевые и никелевые, маркируется легированный чугун по тому же принципу, что и высокопрочный. Буква Ч означает чугун, буква Ш – шаровидная форма графита, буквы русского алфавита, соответствующие легирующим химическим элементам, и цифры после букв означают приблизительное содержание легирующих элементов в целых процентах. Например, марка чугуна ЧХ16 означает, что данный легированный чугун содержит хрома 16%.

Основные свойства легированного чугуна и его применение приведены в таблице 3.

Таблица 3. Чугуны легированные, их основные свойства и применение

Марка σв, МПа σи, МПа НВ Свойства и применение
ЧХ1 170 350 203÷

280

Повышенная коррозионная стойкость в газовой, воздушной и щелочной средах в условиях трения и износа, жаростойкий в воздушной среде, выдерживает температуру до 773 К (500°С). Предназначен для изготовления холодильных плит доменных печей, колосников агломерационных машин, деталей коксохимического оборудования, сероуглеродных реторт, деталей газотурбинных двигателей и компрессоров, горелок, кокилей, стеклоформ, выхлопных коллекторов дизелей
ЧХ2 ЧX3 150 310 223÷

356

Жаростойкость в воздушной среде – до 873 К (600°С), у чугуна ЧХ2 и чугуна ЧX3 – до 973 К (700°С); эти чугуны применяют для производства колосников балок горна агломерационных машин, деталей контактных аппаратов химического оборудования, решеток трубчатых печей нефтеперерабатывающих заводов, деталей турбокомпрессоров, стекломашин и термических печей, электролизеров, облицовочных плит и др.
ЧХЗТ 200 400 440÷

580

Обладает повышенной стойкостью против абразивного износа и истирания; используют для изготовления деталей гидромашин, перекачивающих абразивные смеси, и футеровки (внутренней облицовки) пылепроводов
ЧХ9Н5 ЧX16М2 350÷

170

490÷

607

700÷

490

Высокая стойкость этих чугунов против абразивного износа и истирания обусловила возможность их применения при изготовлении мелющих деталей угле- и рудоразмольных мельниц, ковшей пескометов, дробеметов
ЧX16 350 700 390÷

440

Жаростойкий в воздушной среде, выдерживает температуры до 1173 К (900°С), износостойкий при нормальной и повышенной температурах, устойчивый против воздействия неорганических кислот большой концентрации. Изготовляют арматуру для химического машиностроения, печную арматуру, детали цементных печей
ЧX22 ЧХ28Д2 290÷

390

540÷

690

390÷

635

Высокоустойчивые против абразивного износа и истирания, поэтом используются для производства размольного оборудования, грохотов и склизов, агломерационных машин, песко- и дробеструйных камер, работающих при повышенных температурах; кроме того, из таких чугунов изготовляют вставки для армирования брусьев вторичной зоны охлаждения установок непрерывной разливки стали, детали угле- и рудоразмольных мельниц, ковшей, пескометов и дробеметов
ЧХ22С 290 540 333÷

607

Повышенная коррозионная стойкость при температурах до 1273 К (1000°С) в случае применения его в запыленных газовых средах, высокой кислотостойкостью и сопротивлением межкристаллитной коррозии; из него изготовляют детали, не подвергающиеся действию постоянных и переменных нагрузок, детали аппаратуры, работающей в условиях действия концентрированных азотной и фосфорной кислот, печной аппаратуры
ЧХ28 ЧX34 290÷

390

560÷

690

245÷

333

Высокая коррозионная стойкость в растворах кислот (азотной, серной, фосфорной, соляной, уксусной, молочной и др.), щелочей и солей (азотнокислом аммонии, сульфате аммония, хлорной извести, хлорном железе, селитре); а также в газах, содержащих серу или SО2, Н2О, жаростойкие, выдерживают температуры до 1373÷1423 К (1100÷1150 °С), хорошо сопротивляются абразивному износу; производят детали, работающие при небольших механических нагрузках в среде SО2 и SОз, в щелочах высокой концентрации, азотной кислоте, растворах и расплавах солей при температурах до 1273 К (1000°С), детали центробежных насосов, печной арматуры, реторты для цементации, сопла горелок, цилиндры, корпуса золотников, гребни обжиговых колчеданных печей, сопла для пескоструйных аппаратов, а также другие детали, подверженные абразивному истиранию
ЧХ28П 200 400 245÷

390

Стойкость после окислительного отжига в цинковых расплавах при температурах до 823 К (550°С), из него получают детали пар трения, работающие в цинковом расплаве агрегатов горячего непрерывного цинкования
ЧС5 ЧС5Ш 150÷

290

290 140÷

294

Жаростойкость в топочных газах и воздушной среде, выдерживают температуры до 973 ÷ 1073 К (700 и 800°С); из чугуна марки ЧС5 изготовляют колосники, бронеплиты для печей обжига, используемых в цементной промышленности, сероуглеродные реторты, а из чугуна марки ЧС5Ш – топочную арматуру котлов, детали пароперегревателей котлов, газовые сопла, подовые плиты термических печей
ЧС13 ЧС15 ЧС17 100÷

400

210÷

140

294÷

450

Высокая коррозионная стойкость чугуна при температурах до 473 К (200°С), устойчивы к воз- действию концентрированных и разбавленных кислот, растворов щелочей, солей (кроме фтористоводородных и фтористых соединений), не допускают резких переменных, а также ударных нагрузок и перепада температур; из них производят отливки простой конфигурации, детали центробежных и поршневых насосов, компрессоров и трубопроводной арматуры, трубы, фасонные детали для трубопроводной арматуры, теплообменников и другие детали химической аппаратуры
ЧС15М4 ЧС17МЗ 60 140÷

100

390÷

450

Высокая коррозионная стойкость чугуна к серной, азотной и соляной кислотам разной концентрации и температуры, водным растворам щелочей и солей при местном перепаде температур до 30 К в массе детали в случае отсутствия динамических, переменных и пульсирующих нагрузок.

Применяются для тех же целей, что и чугуны перечисленных выше марок

ЧЮХШ ЧЮ7Х2 390÷

120

240÷

170

236÷

294

Жаростойкие в воздушной среде чугуны, выдерживают температуры до 923 и 1023 К (650 и 750°С), стойкие против истирания; из чугуна марки ЧЮХШ изготовляют пресс-формы для стекольного производства, детали печного оборудования, ролики чистовых клетей листопрокатных станов, из чугуна марки ЧЮ7Х2 – детали печной арматуры
6С5 120 240 236÷

294

Жаростойкий в воздушной среде чугун, выдерживает температуры до 1023 К (750°С), коррозионностойкий в среде, содержащей соединения серы, стойкий к резким сменам температур; рекомендуют для производства отливок, работающих при температурах до 1073 К (800 °С)
ЧЮ22Ш 290 490 235÷

356

Жаростойкий в среде, содержащей серу, сернистый газ, окислы ванадия и пары воды, жаростойкий в воздушной среде при температурах до 1373 К, отличается высокой прочностью при нормальной и повышенной температурах; предназначен для изготовления деталей арматуры котлов, пароперегревателей, обжиговых колчеданных печей, нагревательных кольцевых печей, колосников агломерационных машин
ЧЮ30 200 350 356÷

536

Жаростойкий в воздушной среде чугун, выдерживает температуры до 1373 К. (1100 °С), стойкий против износа; из этого чугуна получают детали для обжиговых колчеданных печей
ЧГ6СЗШ ЧГ7Х4 496÷

150

680÷

330

490÷

586

Высокая стойкостью в абразивной среде и против истирания в пыле- и пульпопроводах, мельницах и т. п., из них изготовляют детали мелющего оборудования и насосов, футеровки мельниц, дробе- и пескоструйных камер
ЧГ8ДЗ 150 330 176÷

285

Немагнитный износостойкий чугун, применяется в условиях повышенных температур; из него изготовляют немагнитные детали и сопряженные трущиеся детали арматуры
ЧНХТ ЧНХМД ЧН2Х 280÷

290

430÷

690

196÷

280

Высокие механические свойства, хорошо сопротивляющиеся износу и коррозии в слабощелочных и газовых средах (продукты сгорания топлива, технический кислород), а также в водном растворе, чугун марки ЧН2Х, кроме того, проявляет высокую стойкость в расплавах каустика; чугун марки ЧНХТ предназначен для изготовления маслот поршневых компрессионных и масло- съемных колец, седел, направляющих втулок клапанов дизелей и газомотокомпрессоров, деталей сглаживающих прессов и размольных мельниц бумагоделательных машин; из чугуна марки ЧНХМД отливают блоки и головки цилиндров, выхлопных патрубков двигателей внутреннего сгорания, паровых машин и турбин, поршни и гильзы цилиндров паровых машин, тепловозных и судостроительных дизелей, детали кислородных и газовых мотокомпрессоров, детали бумагоделательных машин; чугун марки ЧН2Х служит для производства зубчатых колес различных типов, цилиндров двигателей, абразивных дисков, дросселей, холодильных цилиндров и валов бумагоделательных, картоноделательных и сушильных машин, матриц штамповочных прессов
ЧНМШ 490 183÷

280

δ = 2, высокие механические свойства и термостойкость чугуна при температурах до 773 К (500°С); применяется для изготовления крышек и днищ цилиндров дизелей, головок поршней, маслот поршневых колец, холодильных цилиндров и валов бумагоделательных, картоноделательных и сушильных машин
ЧН4Х2 290 490 215÷

280

высокая стойкость против абразивного износа и истирания; предназначен для изготовления износостойких деталей машин, перекачивающих абразивные смеси, футеровки мельниц, пылепроводов, размалывающих валков и шаров, сопел, склизов и грохотов
ЧН15ДЗШ, ЧН15Д7, ЧН19ХЗШ ЧН11Г7И 150 350 120÷

250

Высокая коррозионная и эрозионная стойкость чугунов в щелочах, слабых растворах кислот, серной кислоте любой концентрации при температурах более 323 К, в морской воде, в среде перегретого водяного пара, обладают высоким коэффициентом термического расширения, могут быть магнитными при низком содержании хрома, чугуны марок ЧН19ХЗШ и ЧН11Г7Ш, кроме того, обладают прочностью при температурах до 873 К (600°С); из чугунов марок ЧН15ДЗШ и ЧН15Д7 производят детали насосов, вентилей и другой аппаратуры для нефтеперерабатывающей промышленности, а также арматуростроения, немагнитные отливки для электротехнической промышленности, гильзы цилиндров, головки поршней, седла и направляющие втулки клапанов, выхлопные коллекторы двигателей внутреннего сгорания; чугуны марок ЧН19ХЗШ и ЧН11Г7Ш применяют при изготовлении выпускных коллекторов, клапанных направляющих, корпусов турбонагревателей газовых турбин, головок поршней, корпусов насосов, вентилей и немагнитных деталей
ЧН20Д2Ш 500 120÷

220

δ = 25, высокие механические свойства при температурах до 173 К и высокой ударной вязкостью (не менее 3 Дж/см2) на образцах с острым надрезом, может быть пластически деформирован в холодном состоянии; предназначен для изготовления насосов и деталей аппаратуры, используемой в нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности, а также деталей топливной арматуры.

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *