1. Маркировка, химические состав и механические свойства основных хромистых чугунов

В СССР не было специального стандарта (ГОСТ) на белые износостойкие чугуны. Сведения о таких сплавах были включены в ГОСТ 7769-82 [139], регламентирующий химический состав и механические свойства легированного чугуна со специальными свойствами.

Высоколегированные белые чугуны можно разделить на несколько классов: хромоникелевые (2,0-11%,0 Cr и 4,0-7,0% Ni), хромомолибденовые (11,0-23,0% Cr и до 3% Mo), высокохромистые (23-30% Cr) и специальные белые чугуны. Эти чугуны имеют твердость НВ 750 и мартенситную матрицу, которая получается при термообработке.

При разработке чугунов новых марок ставилась задача создания специализированных сплавов для работы в условиях преимущественно нейтральных или абразивно-коррозионных сред.

Для деталей сельскохозяйственных машин, работающих в условиях износа рекомендуется использовать аустенитный марганцовистый чугун. Низкоуглеродистый чугун с содержанием хрома около 6%, который дополнительно легировали молибденом (до 3%) и вольфрамом (до 10%). При легировании марганцем до 5% твердость и износостойкость увеличивались. При вводе ванадия твердость незначительно уменьшалась, а износостойкость увеличилась на 25%. При легировании молибденом и вольфрамом твердость и износостойкость сплава в литом состоянии вначале увеличивается. Отмечают, что максимальные твердость и износостойкость наблюдались при содержании 1-2% Mn, 2,5% W и 1-2% V. Низкотемпературный отпуск снижает твердость и износостойкость этих чугунов.

Применение чугуна нихард, содержащего 7-11% Cr обеспечивает более высокую износостойкость по сравнению с чугунами нихард, содержащими 2-4% Cr и имеющими цементитную структуру карбидов.

Отмечается, что низкохромистые чугуны дешевы, но мало прочны и хрупки. Есть два пути решения этой проблемы: первый - применение чугунов с содержанием хрома более 13% и второй - изменение механизма образования карбидов в чугунах с содержанием до 8% Cr и до 4,5% Si, превращая эти карбиды в изолированные и более тонкие. Исследовалось влияние содержаний кремния (0,723-4,5%) и хрома (2,0-8,0%) на микроструктуру. Утверждается, что увеличение количества кремния и хрома приводит к изменению морфологии - от непрерывной сетки карбидов к изолированным и более тонким. Твердость карбидов и матрицы увеличивается с увеличением количества хрома и кремния. Структура состоит из смеси карбидов Fe3C и Cr7C3. Твердость матрицы - свыше HV 400; при содержании кремния свыше 3% прочность на удар падает. Когда содержание хрома достигает 5%, сопротивление ударному износу у этих чугунов сравнимо с таковым у традиционных высокохромистых чугунов.

Очень ценным материалом для оборудования, работающего в условиях воздействия коррозионных сред, при повышенных температурах и в условиях сильного износа являются хромистые чугуны марок Х28Л и Х34Л.

Образцы белого чугуна с содержанием хрома 2,8; 12,0 и 25,0% исследовали в литом состоянии и после нагрева в течение 100 ч при температурах 600°С и 1000°С. Определено, что хром больше сконцентрирован в карбидах, чем в матрице. С увеличением содержания хрома в чугуне линейно возрастает его содержание в карбидах. При уменьшении содержания углерода в образцах с одинаковым содержанием хрома возрастает количество растворенного хрома в карбидах и в матрице.

Исследованием сплава Fе--С--Сг с заэвтектической структурой (4,53% С, 1,52% Сг по 0,01% 5, Сu, Ni и Мо) установлено, что содержание хрома в первичном цементите 3,55%, в центре перлитного зерна 0,86%, у его края 0,58%, в центре цементитного зерна 2,83%, у его края 2,00%. Эти цифры подтверждают наличие обратной ликвации.

В белых чугунах с 0,03--0,54% Сr отношение содержания хрома а карбидах к содержанию его в феррите колеблется незначительно и в среднем составляет 5:1. Чем ближе белый чугун находится к состоянию равновесия, тем больше хрома содержится в карбидной фазе. При постоянном количестве углерода отношение содержания хрома в цементите к среднему его содержанию в белом чугуне снижается при увеличении содержания хрома.

Известно, что хром растворяется в аустените до 13--14%, в цементите -- до 15% с образованием орторомбического. цементита (Fе, Сг) С. Коэффициент распределения хрома между аустенитом и цементитом в сплаве с 3,43--4,15% С уменьшается с увеличением удержания хрома в сплаве в интервале 0,1--1,0%. Снижение скорости охлаждения во время кристаллизации вызывает уменьшение коэффициента распределения.

При исследовании белого чугуна с 3% хрома отмечено существенное измельчение структуры при увеличении скорости затвердевания в пределах 11,3--101,3 мм/ч.

Изучение свойств Сг-Мо чугунов, выявившее, что роль молибдена в Сг чугунах заключается только в увеличении прокаливаемости, привело к созданию марок Сr-Мо-чугунов с более низким содержанием молибдена, чем (в сплаве 15-3 -- ИЧ290Х12М, ВР182, 12-1. Применение марок с пониженным содержанием молибдена ограничивается деталями небольшой толщины.

Микроструктура Сг-Мо чугунов после окончательной термической обработки -- эвтектические карбиды М7C3 в мартенситной основе с мелкими выделениями вторичных карбидов, для 15-3 ХНС -- с «первичными» карбидами и М7C3. Возможно некоторое количество остаточного аустенита, выявление которого металлографическим исследованием затруднительно.

Сг-Мо износостойкие чугуны легче других марок износостойких чугунов отжечь с образованием мягкого зернистого перлита. В отожженном состоянии Сг-Мо износостойкие чугуны обрабатываются на металлорежущих станках.

Прокаливаемость Сг-Мо чугунов зависит от содержания молибдена и отношения Сг3С. Для массивных отливок без дополнительного легирования третьим элементом она часто недостаточна.

В условиях абразивного изнашивания в нейтральной среде Сг-Мо чугуны обладают максимальной износостойкостью и обеспечивают более длительные сроки службы, чем нихард и другие марки чугунов. Сг-Мо чугуны в 8--12 раз превосходят в этих условиях углеродистые стали. Условия изнашивания, где наиболее полно проявляется высокая износостойкость Сг-Мо чугунов -- интенсивный абразивный износ (например, гравий и песок в речной воде), сухой помол и т. п.

В условиях абразивно-коррозионного воздействия износостойкость Сг-Мо чугунов резко уменьшается, так как они имеют низкую коррозионную стойкость.

Рис. 1. Микроструктура износостойких чугунов (Х500):

а -- чугун с карбидами (Fе, Сг)₃ С (нихард); б -- чугун с эвтектическими карбидами (Fе, Сг)7 Сз (ИЧ290Х12М): в -- чугун с первичными карбидами (Сг. Fе) 7С3 (ИЧХ28Н2); г -- измельчение структуры за счет высокой скорости охлаждения при кристаллизации (ИЧЗООХ18ГЗ медный кокиль); д -- направленное затвердевание чугуна с 2,8% С и 29,9°хг Сг со скоростью 12,8 мм/ч (Х100); е -- «инвертированная» структура с карбидами VС.

Отмечают, что износостойкий чугун 15% Cr-Mo, содержащий 3,3-3,6% углерода после полной закалки имеет самую высокую стойкость к абразивному износу по сравнению с другими чугунами. Однако толстостенные отливки из этого чугуна в результате закалки не получают полной мартенситной структуры, так как из-за высокого содержания углерода образуется перлит. Также отмечается, что исследования показали, что молибден, никель и марганец в сочетании или отдельно можно применять для устранения образования перлита при закалке толстостенных деталей из высокохромистого чугуна. Однако никель, марганец и, в меньшей степени, медь стабилизируют аустенит в структуре закаленных чугунов. Остаточный аустенит понижает абразивную стойкость чугунов, поэтому следует ограничивать содержание никеля, марганца и меди в этих сплавах. Введение в чугун 1,5-2,0% Мо и 1% Cu приводит к более успешному подавлению образования перлита при закалке, чем только при добавке 3% Мо. Такие сплавы широко применяются для изготовления футеровочных плит шаровых, стержневых и автогенных (самоизмельчения) мельниц и других деталей.

Завышение содержания кремния (иногда до 3,8%) во многих чугунах приводит к снижению их твердости и износостойкости из-за образования ферритной, феррито-перлитной или перлитной матрицы.

В высокохромистом чугуне (2,0-2,25% С, 30% Cr, 3% Mn) увеличение содержания кремния с 0,75% до 2,18% снижает твердость этого чугуна после закалки с HRC 57 до HRC 36. Для улучшения прокаливаемости и, следовательно, получения твердой, прочной структуры металлической основы содержание кремния в износостойких чугунах не должно превышать 1%.

Чугуны ЧХ28 и ЧХ32 характеризуются как имеющие высокое сопротивление износу, и из них рекомендуется изготавливать сопла для пескоструйных аппаратов и другие детали, подверженные абразивному износу. Дорогие высоколегированные (28-34% Cr) чугуны, имеющие твердость HB 200-350 и ферритную основу, явно непригодны в качестве износостойких, а значительно менее легированные (12-18% Cr) и более дешевые чугуны обладают износостойкостью, в четыре-пять раз превышающей стойкость чугунов ЧХ28 и ЧХ32, которая мало отличается по износостойкости от углеродистых сталей.

Чугун Х28 при содержании углерода до 1% после отжига может подвергаться холодной обработке резанием; для чугуна Х34, с более высоким содержанием углерода, такая обработка связана с определенными трудностями. Небольшие добавки кремния (1--2%) улучшают механическую обрабатываемость высокохромистых сталей.

Высокохромистые чугуны марок Х-28 и Х-34 при застывании и дальнейшем охлаждении дают большую усадку н склонны к крупнокристаллическому столбчатому излому. Эти явления вызывают появление рыхлот и трещин.

Установлено, что повышение температуры металла при заливке до 1480° повышает его жидкотекучесть, улучшает структуру и препятствует образованию горячих трещин.

Благоприятное влияние оказывает применение в качестве модификатора смеси, состоящей из 50% ферросилиция и 50% ферротитана, вводимой в количестве 0,7% от веса жидкого металла. Отжиг при 950 несколько улучшает обрабатываемость 28%-ного хромистого чугуна.

Присадка кремния к хромистым чугунам повышает их окалиностойкость и улучшает механические свойства. Присадка титана в количестве 0,5--1,0% измельчает зерно, а присадка меди повышает коррозионную стойкость в некоторых кислотах.

Сравнительно широкое применение нашел чугун ИЧ290Х28Н2, несмотря на то, что он уступает по износостойкости и обрабатываемости таким сплавам, как 15% Cr-Mo, ИЧ290Х18Г3. Однако чугун ИЧ290Х28Н2 обладает более высокой коррозионной стойкостью и меньшей склонностью к образованию холодных трещин, чем упомянутые сплавы, что определило широкое распространение чугуна ИЧ290Х28Н2.

Универсальные сплавы, как, например чугун ИЧ290Х30Н2, имеют в 1,5 раза более низкую износостойкость в нейтральных абразивных средах в сравнении с чугуном ИЧ290Х18Г2 и 15% Cr-Mo и более чем в три раза уступают чугуну ИЧ210Х30Г3 в абразивно-коррозионных средах.

Практически все иследованые белые чугуны обладают линейной (?2%) и объемной (?8%) усадкой. Эти сплавы сравнительно хорошо жидкотекучие, что позволяет отливать детали со стенками толщиной до 4 мм.

Химический состав основных легирующих элементов

Как правило, отливки из белых чугунов закаливаются на воздухе для получения максимальной износостойкости. Поэтому прокаливаемость является характеристикой белого чугуна. Она не только определяет возможность получения мартенситной структуры в детали необходимой толщины, но и является технологическим показателем возможности охлаждения на воздухе больших садок деталей, что упрощает процесс закалки.