Лекция 7. Легированный и высоколегированный чугун с особыми физико-химическими свойствами

Легированный чугун, кроме обычных элементов (Сг, Si, S и Р), содержит специально введенные элементы для повышения механических свойств или для придания каких-либо специальных свойств: износоустойчивости, жаропрочности, кислотоупорности и др. При легировании чугуна применяются те же элементы, что и при легировании стали (хром, никель, медь, титан, молибден и др.). Чугун с повышенным содержанием кремния (выше 4 %) и марганца (свыше 2 %) относится также к легированному чугуну. В зависимости от степени легирования различают низколегированный (с содержанием легирующих элементов до 1—3 %), среднелегированный (3-10 %) и высоколегированный чугун (свыше 10 %).

Все легирующие элементы изменяют как процесс графитообразования при эвтектическом превращении, так и процесс формирования структуры основной (металлической) массы при эвтектоидном превращении. Они увеличивают устойчивость жидкой фазы и аустенита, способствуя большей степени переохлаждения. Вследствие этого кристаллизация и формирование структуры, основной (металлической) массы происходит в более благоприятных условиях для получения мелкого и среднего графита и более дисперсной основной массы. Правильно подбирая содержание основных и легирующих элементов, можно получить ферритную, перлитную, сорбитную, трооститную, мартенситную и аустенитную структуры основной (металлической) массы при определенных размере, формы и распределении графита. Указанным способом можно достигать высоких значений механических свойств, чем у обычного и модифицированного серого чугуна (σ_в = 600—700 МПа), и в случае необходимости придавать чугуну повышенную износоустойчивость, антифрикционность, жаропрочность и т. п.

Низко- и среднелегированный чугун, являясь хорошим конструкционным материалом, обеспечивает более высокие эксплуатационные свойства деталей, чем простой углеродистой и модифицированный нелегированный чугун (повышенную износоустойчивость, лучшие антифрикционные свойства, большую теплоустойчивость и т. п.). Низко- и среднелегированный чугун обычно содержит в своем составе до: 1 % Сг, 4 % Ni, иногда 2 % Си, 0,2 % Ti, 0,6 % Mo, 0,2 % V. Из низколегированных чугунов в нефтяной, нефтехимической и газовой промышленности наибольшее применение получил хромоникелевый чугун, химический состав которого обычно колеблется в следующих пределах: 2,9—3,3 % С; 1,4—2,3 % Si; 0,5—1,0 % Мn; 01-0,3 % Р; 0,1—0,12 % S; 0,2—1,5 % Ni; 0,2—0,7 % Сг; иногда от 0,5 до 1,0 % Си и до 0,2 % Ti.

Среднелегированный чугун применяется большей частью как износоустойчивый материал. Состав среднелегированного хромоникелевого чугуна колеблется в пределах: 2,8—3,2 % С; 1,0—1,8 % Si; 2,0-4,0 % Ni; 0,3-1,0 % Сг; 0,6-1,0 % Мn; до 0,12 % S; до 0,2 % Р. В нефтяном машиностроении широко применяется низко- и отчасти среднелегированный чугун, выплавляемый с присадкой природно-легированного хромоникелевого и титаномедистого чугуна и ферросплавов в сочетании с модифицированием или без него.

При использовании в составе шихты природнолегированного чугуна (от 10 до 20 %) легированный чугун будет иметь невысокую стоимость. Введение в шихту устойчивого природнолегированного чугуна позволяет получать высокие марки чугуна: СЧ 25, СЧ 30, СЧ 35 включительно. Номенклатура деталей нефтяной, нефтехимической и газовой промышленности, отливаемых из чугуна этих марок, довольно обширна: рабочие колеса, направляющие аппараты погружных насосов, направляющие аппараты паровых турбин, лопастные колеса, цилиндры высокого давления, втулки глубинных насосов и т. п.

Высоколегированный чугун с особыми физико-химическими свойствами. Обычный углеродистый, мало- и среднелегированный чугун не может во многих случаях обеспечить нужные свойства деталей, например: повышенную коррозионную стойкость, ростоустойчивость, жаропрочность и т. п. Эти свойства обеспечивает высоколегированный чугун.

В нефтяной, нефтехимической и газовой промышленности широко применяется высоколегированный чугун — главным образом нержавеющий (аустенитный), высокохромистый и высококремнистый, сочетающий в себе коррозионную стойкость, теплоустойчивость и другие свойства. Нержавеющий (аустенитный) чугун благодаря однофазной структуре аустенита обладает высокой химической стойкостью во многих агрессивных средах. Так, он обладает повышенной стойкостью (в 5-10 раз по сравнению с серым обычным чугуном) в серной муравьиной, уксусной кислотах, в каустической соде, в ряде щелочных сред, в морской воде, однако менее стоек в соляной и быстро разрушается в азотной кислоте. Аустенитный чугун также достаточно прочен, износоустойчив, обладает хорошими технологическими свойствами.

Примерный химический состав наиболее широко известного никелемедехромистого чугуна марки Ж4НДХ, называемого нирезистом, следующий: 2,5—3,0 % С; 1,4—1,8 % Si; 0,5—0,8 % Мn; 10,0 % Ni: 6,0—8.0 % Си; 1,5—3,5 % Сr; 0,2-0,4 % Р; 0.07—0,1 % S. Микроструктура нирезиста: аустенит, пластинчатый графит и карбиды. Механические свойства нирезиста: σ_в= 210—270 МПа, σ_и = 310 —430 МПа, f₃₀₀ = 4—8 мм; δ = 0,5—3,0 %, НВ =130—150. Физические свойства нирезиста: t_пл = 1300 °С, γ = 7,5 г/см³, α = 18-.10-⁶ (при 18—20 % Ni). Нирезист немагнитен. Аустенитный чугун типа нирезиста вследствие достаточной ростоустойчивости и высокой жаропрочности находит применение и как жаростойкий материал.

Нирезист начинает окисляться только при 1050 °С. Так, при испытании после выдержки в течение 240 ч при температуре 750 °С вес нирезиста уменьшается всего лишь на 9 г, в то время как вес обычного серого чугуна — 97 г. Он обладает также высокой ростоустойчивостью (при испытании в перегретом паре в течение 1300 ч при 480 °С рост его в 7 раз меньше, чем серого чугуна). Существенное влияние на ростоустойчивость и жаропрочность оказывает содержание хрома. Сопротивление ползучести (крипоустойчивость) нирезиста весьма высоко. Так, длительная прочность при испытании в течение 1000 ч при скорости испытания около 10 ^-5 мм/ч составила: при 450 °С — 64 МПа, при 538° С — 32 МПа. Приведенный выше химический состав нирезиста рекомендуется для отливок с толщиной стенки до 25 мм. Для более толстых стенок необходимо повышать содержание никеля на 2—3 %.

Высокохромистый чугун обладает высокой химической стойкостью в ряде агрессивных сред: в азотной, серной, фосфорной кислотах, растворах щелочей, солей, морской воде и др. Высокая коррозионная стойкость высокохромистого чугуна объясняется тем, что (в пределах 15 — 30 %) образует пассивирующую пленку.

ГОСТ 2176-77 предусматривает две марки высокохромистого чугуна Х28Л и Х34Л. Химический состав и механические свойства чугуна этих марок приведены в таблице 7.1. Физические свойства высокохромистого чугуна приведены в таблице 7.2.

Таблица 7.1 - Химический состав и механические свойства чугуна марок Х28Л и X34Л

Марка чугуна	Химический состав, %	Механические свойства
С	Сr	Si	Mn	Р	S	σв, МПа	σи, МПа	f, мм (l=600)	НВ
не более	не менее
Х28Л	0,5-1,0	26-30	0,5-1,3	0,5-0,8	0,1	0,08				220-
Х34Л	1,5-2,2	32-36	1,3-1,7	0,5-0,8	0,1	0,1				250-

Микроструктура высокохромистого чугуна соответствует микроструктуре доэвтектического белого чугуна. Высокохромистый чугун при затвердении дает большую усадку, поэтому сечения (по возможности следует принимать одинаковыми. Рекомендуемая толщина стенок 8—20 мм. Для снятия внутренних напряжений рекомендуется отжиг по режиму: медленный нагрев до 850 °С (скорость нагрева 20—30 ^оС/ч до 500 °С и 50 ° С/ч до 850 °С), выдержка из расчета 1 ч на 25мм толщины отливки, медленное охлаждение — со скоростью не 25-40 °С/ч.

Наряду с высокой стойкостью против коррозии высокохромистый чугун характеризуется высокой ростоустойчивостью, жаростойкостью, стойкостью против окисления, высокой износоустойчивостью.

Таблица 7. 2 - Физические свойства высокохромистого чугуна

Показатели	Величина
t пл, оС	1350-1450
γ, г/см3	7,3-7,4
α от 0 до 200 оС	9,4-10,0 10-6
Линейная усадка, %	1,5-1,8
Q, ом мм2/м	~ 0,4

Жаропрочность чугуна зависит от содержания хрома, при 30 % хрома она достигает 1200 °С (начало образования окалины); при 1100 °С детали этого чугуна могут работать более 5000 ч. Испытания высокохромистого чугуна при повышенных температурах показывают, что кратковременная и длительная прочность его почти не изменяется 500 °С. Выше этой температуры прочность резко снижается, пластичность непрерывно возрастает.

Таблица 7.3 - Применение высокохромистого чугуна

Тип чугуна	Область применения
Нирезист	Трубы конденсаторов для установок, где выделяется хлористый водород. Трубы и фитинги, пропеллеры, мешалок, контакторы для сернокислой очистки и сернокислотного алкилирования. Гильзы компрессоров для газов, содержащих Н2S. Корпусы клапанов, фильтры и прочее оборудование для растворов каустической соды.
Ферросилид	Фитинги, запорная арматура и корпусы насосов для перекачки любых растворов серной кислоты в холодном и кипящем состоянии
Антихлор1 Х28Л	Литые изделия простейшей формы Трубы и фасонные части, краны и вентели, центробежные насосы для холодной и горячей фосфорной кислоты. Изделия, от которых требуется повышенная износостойкость при температуре до 550 оС
Х34Л	То же. Применяется еще для кипящей 80 %-ной фосфорной кислоты

¹ Устойчив в холодных и горячих растворах соляной кислоты.

Государственный стандарт предусматривает две марки ферросилидов: С-15 и С-17. Высокая коррозионная стойкость ферросилидов объясняется образованием на поверхности отливок (деталей) пленки, а также однородностью твердого раствора. В таблице 7.4 приведен химический состав и механические свойства.

Ферросилид обладает высокой коррозионной стойкостью в азотной, серной, уксусной, фосфорной, лимонной, муравьиной и других кислотах, а также в большинстве растворов солей.

Таблица 7.4 - Химический состав и механические свойства ферросилидов

Марка чугуна	Химический состав, %
	С	Si	Мn	S	Р
С-15 С-17	0,5–0,8 0,3–0,8	14,5–16,0 16,0–18,0	0,3–0,8 0,3–0,8	до 0,07 до 0,07	до 0,01 до 0,01
	Механические свойства
Марка чугуна	σв, МПа	σи, МПа	ѓ, мм (ℓ=600 мм)	НВ	ан, Дж/см2
С-15 С-17	60–80 -		1,5	300–400 400–460	4,5– 5 -

Вследствие большой линейной усадки ферросилида при отливке сложных деталей создаются большие внутренние напряжения кроме того, ферросилид обладает низкой теплопроводностью. Это необходимо учитывать, чтобы предотвратить появление трещин (медленное охлаждение в форме, последующий отжиг и т. д.).

В ряде же сред – щелочах, серной кислоте, фтористых соединениях – он не стоек, так как среды разрушающе действуют на защитную пленку. В этом случае применяют кремнемолибденовый чугун, называемый антихлором. Благодаря присутствию в нем молибдена, способствующего образованию на поверхности деталей защитной пленки из хлористых солей молибдена и окислов кремний антихлор обладает высокой коррозионной стойкостью в средах, в которых ферросилиды не могут быть применены. В промышленности нашел широкое применение антихлор марки МФ15 следующего химического состава: 0,5– 0,6 % С; 14,5 – 6 % 3,4– 4 % Мо; 0,3-0,8 % Мn; до 0,1 % S; до 0,1 % Р. Высокую коррозионную стойкость антихлор приобретает через 30– 40 ч работы, после образования на его поверхности защитной пленки. Антихлор наряду с высокой коррозионной стойкостью характеризуется также высокой ростоустойчивостью и жаростойкостью температуры примерно 900 ° С.

Технология изготовления отливок из антихлора не отличается от технологии изготовления отливок из ферросилида. Однако необходимо иметь в виду, что антихлор имеет большую склонность к образованию усадочных раковин и остаточных напряжений в отливках, чем ферросилид.

Рекомендуемая литература:
осн. 1 [137174]

Контрольные вопросы:

2. Как классифицируется чугун по химическому составу?

3. Какие высоколегированные чугуны Вы знаете?

4. Какой чугун называют низеристом?

5. Какими свойствами обладает ферросилид?