Жаростойкость чугуна

22.10.2019

Отливки, работающие при повышенных и высоких температурах в условиях ничтожных нагрузок, подвергаются разрушению вследствие окалинообразования, роста и трещин. Таковы детали печей и топок, цементационные и плавильные горшки, муфели и воздухонагреватели, кокили, изложницы и т. д.

Под жаростойкостью следует понимать всю совокупность условий, определяющих поведение материала при повышенных температурах, за исключением нагрузок, влияние которых характеризуется жаропрочностью. В общем случае, таким образом, отливки должны обладать окалиностойкостью, сопротивлением росту и термостойкостью (ГОСТ 7769—63 предусматривает для оценки качества отливок из жаростойкого чугуна только определенные значения окалиностойкости и ростоустойчивости).

Окалиностойкость характеризуется общими законами химической коррозии и измеряется и оценивается по изменению веса отливок. Работами советских исследователей, главным образом П.Д. Данковым и В.И. Архаровым, установлено, что образование окалины начинается с адсорбции кислорода и его соединений с металлом; в дальнейшем процесс происходит как за счет диффузии ионов металла и электронов к внешней поверхности пленок, так и за счет диффузии атомов кислорода в обратном направлении. Вследствие разной концентрации кислорода на внешней поверхности и внутри пленки в ней образуются разные окислы железа (FeO, Fе3O1, Fe2O3), к которым присоединяются еще окислы легирующих элементов, а также другие соединения при наличии в атмосфере иных газов, кроме кислорода.

В общем случае, при температурах выше, 560° С когда FeO становится устойчивой, пленка окислов является трехслойной. Защитные свойства пленок зависят от их непрерывности, плотности, прочности сцепления с основным металлом и химической стойкости в окружающей среде. При этом необходимо также, чтобы объем пленки (VMeO) был больше объема металла (Vме), из которого она образовалась,
Жаростойкость чугуна

где M — молекулярный вес окисла;

n — число атомов металла в нем;

уок — удельный вес окисла;

А — атомный вес металла; ум — его удельный вес.

В этом случае не происходит разрыва пленки и она остается сплошной и плотной. Такими свойствами характеризуются окислы Al, Si, Cr, Mn, Fe, Co, Ni и др., противоположными по свойствам являются окислы Li, Na, Mg, К, Ca и др. Однако указанное условие высоких защитных свойств пленок является необходимым, но недостаточным, так как большое значение имеют химические свойства пленок, их летучесть и легкоплавкость, усиливающие коррозию. Согласно теории В. И. Архарова, защитные пленки должны иметь шпинельную структуру и состоять либо целиком из окислов легирующих компонентов, либо из смешанных окислов этих элементов и железа, например MnO*Fe2O3, CuO*Fe2O3, FeO*Cr2O3, FeO*Al2O3 и др. Кинетика роста плотных пленок протекает обычно по параболическому закону во времени и экспоненциальному закону по температуре

где х — толщина или вес окалины.

Однако при образовании трещин в слое окалины эта зависимость нарушается.

Другим очень важным показателем жаростойких сплавов, особенно графитизированных, и в частности чугунов, является ростоустойчивоcть, характеризующая стабильность размеров отливок при повышенных и высоких температурах. При дальнейшем нагреве обычно происходит значительное необратимое увеличение объема чугунных отливок, достигающее в неблагоприятных условиях, в частности при циклических изменениях температуры, 20, а иногда даже 50—100%. Характерными признаками роста являются резкое понижение механических свойств и образование сетки разгара на поверхности отливок, что в конечном итоге значительно понижает срок службы изделий.

Природа и механизм этого явления весьма сложны, а факторы, его вызывающие и ему способствующие, многообразны. Установлено, что рост чугуна увеличивается с повышением температуры и продолжительности выдержки, увеличением амплитуды и числа циклов колебаний температуры (особенно при переходе через критический интервал), а также скорости нагрева и охлаждения и агрессивности атмосферы. Величина роста зависит также от состава и структуры металла, его плотности, количества, формы и размеров графита, фазовых превращений, механических свойств, наличия и возможности образования трещин, газосодержания, хотя значение последнего фактора, по-видимому, невелико и раньше сильно переоценивалось.

Причинами, вызывающими рост чугуна, являются также графитизация и другие фазовые превращения, протекающие с увеличением объема (например, распад аустенита), окисление основного металла и легирующих элементов, растворение графита и порообразование, релаксация напряжений и трещинообразование. Относительное значение каждого из указанных механизмов процесса может изменяться в зависимости от внешних условий и внутренних факторов, определяющих возможные изменения в самом сплаве.

Простейшие расчеты показывают, что увеличение объема чугунных отливок при графитизации сравнительно невелико даже при выделении графита в плотной матрице (около 2% на 1% выделенного графита) и в белом чугуне может достигать примерно 5%. При отсутствии или малой значимости других процессов (испытание в вакууме и изотермическая выдержка) графитизация является основной причиной роста. Однако в обычных условиях эта причина играет второстепенную или косвенную роль, тем более, что в результате такого увеличения объема не происходит характерное для обычного роста резкое понижение механических свойств (наоборот, они даже повышаются) и не образуется сетка разгара. После завершения графитизации, как это видно из рис. 282, рост прекращается, что и наблюдается при изотермическом процессе в отсутствии окисления. Таким образом, увеличение размеров отливок в результате графитизации имеет не только количественное, но и качественное отличие от обычного роста.

Гораздо большее значение в процессе роста имеет процесс окисления, который особенно интенсивно развивается в соответствующей атмосфере и при крупных взаимно связанных и пересекающихся выделениях графита, по каналам которых газы проникают внутрь металла. Именно такой процесс внутреннего глубокого (а не поверхностного) окисления вызывает большой рост и катастрофическое снижение механических свойств чугуна, что по механизму и результатам напоминает процесс интеркристаллитной коррозии. Окисление железа и легирующих элементов при этом вызывает значительное увеличение объема. Рис. 283 иллюстрирует структуру такого чугуна с окислами вокруг графита, в том числе и со сложными твердыми растворами FeO и SiO2 или FeO и MnO, так называемыми белыми составляющими или х-фазами. Этот процесс (см. заштрихованную область на рис. 282) характеризуется возрастающей во времени скоростью, и, в противоположность графитизации, протекает практически неограниченно с увеличением выдержки. Значение процессов окисления при росте хорошо подтверждается также влиянием состава газовой среды. И, действительно, как видно из рис. 284, рост увеличивается в атмосфере печных газов и CO2, еще больше влияют пары воды.

Третьей весьма важной причиной роста графитизированных сплавов является диффузионное порообразование, связанное с растворением графита. Теория этого процесса, впервые выдвинутая М.Г. Окновым, особенно широко развита школой К.П. Бунина, в частности А.А. Барановым. Сущность ее заключается в том, что при растворении графита образуются полости, которые затем только частично заращиваются матрицей или заполняются графитом. Количественная оценка этого явления при циклических режимах можно лучше всего выразить следующим образом:

где С — количество графита, попеременно растворяющееся и выделяющееся при каждом цикле, в % вес.;

3,5С — тоже, но в % об. (3,5 — соотношение удельных весов матрицы и графита);

х — доля пор, которая заращивается на высокотемпературной стадии цикла;

у — доля графита, выделяющаяся в порах на низкотемпературной стадии цикла;

n — число циклов.

Анализ этой общей формулы показывает, что наибольший рост в одном цикле происходит при x = у = 0 (поры не заращиваются и целиком остаются в матрице) и при максимально возможном значении С (высокая верхняя температура цикла и последующее снижение температуры до подкритической области). Это увеличение объема частично протекает на высокотемпературной стадии вследствие растворения углерода в твердом растворе и частично — на низкотемпературной стадии вследствие выделения графита в матрице. В противоположных условиях, когда х + у = 1, т. е. в случае полного заращивания пор, роста по причине порообразования не будет вовсе, независимо от числа циклов.

Роль порообразования в отношении роста чугуна доказывается, например, тем, что большое увеличение объема (до 80%) наблюдается при термоциклических режимах не только в атмосфере воздуха, но и при медленном охлаждении в вакууме, когда окисление и образование трещин, по-видимому, исключаются. Мало того, рост в воздухе, как показано Д.В. Грантом и др., иногда даже меньше, чем в вакууме, так как окислы на поверхности пор препятствуют растворению графита. Образование пор показано А.А. Барановым также прямым экспериментом путем микроисследования серого чугуна после выдержки в жидком серебре, которое благодаря высокой жидкотекучести заполняет образованные между графитом и матрицей зазоры.

Однако в ряде случаев порообразование может играть совсем незначительную роль, например при росте в области а-растворов, где количество растворяющегося графита очень мало, и при изотермическом режиме, когда порообразование может быть обусловлено только процессом коалесценции графита.

Заращивание пор и соотношение между количеством графита, выделяющимся в порах и матрице (что в конечном итоге оказывает решающее влияние на процесс порообразования) зависят от ряда факторов. Исследования показывают, что заращивание пор происходит тем интенсивнее, чем мельче выделения графита. Поэтому этот процесс наиболее полно проходит в предварительно закаленных образцах из белого чугуна. Ему способствуют также высокая температура, длительная выдержка при верхней температуре цикла и малая скорость нагрева.

Процессу выделения графита в порах способствует понижение температуры нижней стадии цикла, увеличение количества и объема пор. По указанным причинам рост увеличивается при крупном графите, что хорошо известно из практики. Наоборот, при достаточно большом количестве мелких пор в начале процесса может произойти даже уменьшение объема вследствие выделения графита в порах, которые он покрывает в виде тонкой пленки подобно тому, как в вакууме он откладывается на поверхности образца. Дальнейшее выделение графита происходит частично уже в матрице, преимущественно в виде отростков на пластинчатом и шаровидном графите, а после значительного количества циклов — в виде слоистых разбухших образований вокруг округлых включений.

Причиной роста являются также результаты напряжений, их релаксация и трещинообразование. Образование трещин под влиянием напряжений и соответствующее увеличение объема особенно интенсивно развиваются при термоциклировании с прохождением через критический интервал. При этом проявляется не только прямое, но и весьма важное косвенное влияние этого фактора, так как образующиеся мельчайшие трещины способствуют проникновению газов и процессу окисления. Таким образом, общее изменение объема при росте под влиянием разных причин может быть оценено следующим выражением:

где АСгр — увеличение количества графита в процессе роста (если оно уменьшается, то первое слагаемое берется с отрицательным знаком);

WMeO—WMe — разница между объемами окислов и окисленного металла;

3,5С [1 — (х + у)]n — увеличение объема в результате порообразования;

Wmp — объем образованных трещин;

АWрел — увеличение объема в результате релаксации напряжений.

Исследования роста производятся путем определения изменения объема или длины отливок, в частности, дилатометрическим методом. При этом для повышения точности при измерении длины образцов необходимо предохранять торцы от окисления посредством какого-либо покрытия, например никелирования или установки штифтов из жароупорной стали. Оценку ростоустойчивости чугуна, как и окалиностойкости, можно производить по балльной системе:

Последним фактором, характеризующим жаростойкость, является термостойкость, которая дает представление о сопротивлении материала термическим ударам и образованию пластических деформаций. В первом случае термостойкость оценивается по относительной протяженности трещин или по количеству циклов нагрева и охлаждения образцов до появления на них трещин, обнаруживаемых магнитным методом, под микроскопом, под лупой или невооруженным глазом (нагрев может производиться в печах токами высокой частоты или окунанием в жидкий металл, охлаждение — на воздухе или в воде). Возможна также оценка термостойкости по количеству воды, поливаемой на поверхность тонкостенных отливок, нагретых до определенной температуры горелкой Бунзена до образования трещин. В качестве образцов выбирают тонкостенные полые цилиндрики с боковыми отверстиями разного диаметра, тонкостенные ящики, ролики, кольца, всякого рода узлы и другие подобные отливки. Термостойкость при этом определяется, по существу, температуропроводностью, коэффициентом расширения, модулем упругости и механическими свойствами — прочностью и главным образом — пластичностью металла.

А.А. Горшков различает трещины первого рода (крупные продольные трещины на более холодной поверхности отливки, образующиеся в результате растягивающих напряжений в первый период охлаждения); трещины второго рода (постепенно разрастающиеся волосяные трещины на более нагретой поверхности, образующиеся в результате пластических деформаций более холодной стороны отливки и растягивающих напряжений в более горячей стороне) и трещины третьего рода (сетка разгара).

Второй вид термостойкости зависит от жесткости материала и оценивается обычно по величине прогиба какого-либо образца под влиянием собственного веса после длительной выдержки или термоциклирования. Определяющим свойством при этом является модуль упругости при повышенных температурах.

Таким образом, жаростойкость в широком значении этого понятия, как комплексное и интегральное свойство, должна оцениваться по ряду более элементарных свойств, из которых каждое имеет свою методику исследования и свои особенности. Все это чрезвычайно усложняет вопрос о жаростойкости чугуна, его надлежащей структуре и составе.

Прежде всего в этом отношении следует указать на то влияние, которое оказывает на жаростойкость графит. С его укрупнением и разветвлением облегчается проникновение газов в глубь металла, а следовательно, внутреннее окисление и рост отливок. Кроме того, при этом нарушается сплошность защитной пленки, вследствие чего понижается также и окалиностойкость. Поэтому замена грубого пластинчатого графита более мелким и разобщенным, например при понижении содержания углерода в чугуне или перегреве, заметно уменьшает рост. Исследования показали, что даже междендритный графит имеет по этой причине значительное преимущество перед обычным пластинчатым уже с 500° С, когда рост серого чугуна с 3% С и 2% Si в атмосфере воздуха еще только начинает заметно проявляться:

При этом повышается не только ростоустойчивость, но и окалиностойкость. Полезным в этом отношении является также измельчение эвтектического зерна, поэтому модифицирование, несмотря на устранение междендритного графита, является положительным фактором при борьбе с окислением и ростом.

Положительными являются также сопутствующие модифицированию серого чугуна факторы: уменьшение содержания углерода, плавка на большом количестве стального скрапа, перегрев в жидком состоянии и легирование.

Еще большие преимущества в отношении ростоустойчивости и окалиностойкости, как видно из рис. 285, а также термостойкости с точки зрения образования трещин получаются при шаровидном графите, несмотря на меньшую температуропроводность и более высокий модуль упругости этого чугуна, что объясняется его большей пластичностью. По той же причине термостойкость высокопрочного чугуна в отношении образования деформаций меньше, чем у чугуна с пластинчатым графитом.

В сером чугуне, характеризующемся меньшей пластичностью, термостойкость в отношении образования трещин повышается с укрупнением графита, что находится в соответствии с повышением теплопроводности, понижением модуля упругости и уменьшением напряжений в чугуне. Ковкий чугун с типичными для него выделениями углерода отжига занимает при одной и той же матрице промежуточное положение между серым и высокопрочным чугунами по окалиностойкости и ростоустойчивости, но превосходит чугун с шаровидным графитом по термостойкости в отношении образования трещин.

Важно отметить, что грубый пластинчатый графит оказывает также весьма неблагоприятное влияние на рост и окалиностойкость в атмосфере CO2 + CO. Это имеет особый интерес для установок атомных реакторов, фундаментных плит для нефтяных форсунок и других установок вследствие возникновения реакции

с последующим обратным се течением в чугуне и отложением свободного углерода на графите. Этот процесс ведет поэтому к науглероживанию, а затем к росту и окислению чугуна в тем большей степени, чем грубее графит, о чем свидетельствуют данные табл. 41.

Очевидно, что газовая смесь из CO2 + CO значительно агрессивнее воздуха. То же следует сказать и об атмосфере пара.

Меньшее, но все же достаточно большое значение имеет структура матрицы, как это видно, например из данных Ю.Г. Бобро по окалиностойкости (рис. 285) и величине роста в % при изотермическом цикле:

Очевидно, что ферритная матрица имеет преимущества по ростоустойчивости в подкритической области и уступает перлитной структуре в надкритической области. Высокое содержание кремния в чугунах типа силал определяет поэтому преимущества ферритной структуры даже при более высоких температурах испытания, как это показано Н.Н. Александровым и Н.И. Клочневым в ЦНИИТмаше:

В связи с этим ГОСТ 7769—63 рекомендует для жаростойких чугунов в определенных условиях ферритную структуру, однако при высоких температурах (в надкритической области) и при термоциклировании меньшим ростом характеризуется уже перлитный чугун и в тем большей степени, чем стабильнее структура. Особо высокой ростоустойчивостью отличаются ферритные и аустенитные чугуны, не претерпевающие при колебаниях температуры фазовых превращений и не подвергающиеся при этом графитизации. В отношении окисления влияние структуры матрицы невелико (рис. 285), значение имеет в основном состав чугуна. Что касается термостойкости, то опасность образования трещин, в противоположность некоторым утверждениям, уменьшается с переходом от перлитной к ферритной матрице, деформация же, наоборот, при этом увеличивается.

Переходя к вопросу о влиянии состава чугуна на его жаростойкость, необходимо отметить, что элементы воздействуют в этом отношении не только непосредственно путем образования растворов или особых фаз и изменения положения критических точек, но в значительной мере и через графитизацию и структуру. Максимального эффекта в отношении сопротивления росту можно достигнуть путем полного исключения процессов графитизации и фазовых превращений. Это возможно осуществить созданием термодинамически или практически стабильных структур: аустенитно-графитной, ферритно-графитной или с устойчивыми карбидами. Что же касается исключения фазовых превращений в отливках во время их службы, то оно принципиально возможно при соответствующем повышении или понижении критической температуры сплава. В связи с этим можно предложить следующую классификационную схему основных элементов, эффективных в отношении ростоустойчивости:

Принципы легирования для повышения окалиностойкости заключаются в создании защитной пленки и плотной структуры с разобщенным графитом, чтобы воспрепятствовать проникновению газов. В отношении термостойкости можно принять, что почти все элементы, действуя непосредственно, понижают теплопроводность чугуна и способствуют образованию трещин, а уменьшая пластичность, препятствуют деформированию отливок. Однако это влияние может значительно измениться в связи с процессами графитизации, а также ферритизации или перлитизации матрицы.

Характеризуя влияние отдельных элементов, следует указать, что увеличение содержания углерода (и в связи с этим количества графита) понижает окалиностойкость и ростоустойчивость серого чугуна, и тем интенсивнее, чем грубее и неблагоприятнее эти выделения (рис. 286). Поэтому влияние углерода мало проявляется в ковком чугуне и тем более в чугуне с шаровидным графитом. Особенно отрицательным является влияние высокого содержания углерода в заэвтектическом чугуне с пластинчатым графитом вследствие выделения в нем грубой спели. Вместе с тем, увеличение содержания углерода в сером чугуне, по крайней мере до эвтектического значения, повышает его термостойкость с точки зрения образования трещин вследствие увеличения степени графитизации и теплопроводности и понижения модуля упругости, в ковком же и высокопрочном чугунах это влияние проявляется в незначительной степени.


Многочисленные исследования влияния кремния (рис. 286 и 287) показали, что с повышением его содержания ока-линоустойчивость и ростоустойчивость чугуна сначала несколько понижаются, а потом интенсивно увеличиваются, причем кремний благоприятно влияет не только на серый (рис. 287, а), но и на высокопрочный (рис. 287, б) чугун. Особенно резко такое влияние проявляется при первой границе стойкости (5—6% Si), при которой получается вполне жаростойкий чугун (силал) с точки зрения роста и окисления. ГОСТ 7769—63 предусматривает составы такого чугуна с пластинчатым и шаровидным графитом, а также их свойства и области применения (табл. 42).

Чугун с шаровидным графитом (ЖЧСШ-5,5) характеризуется повышенной пластичностью, которая особенно сильно возрастает с повышением температуры и достигает 40% при 800 С (удлинение чугуна с пластинчатым графитом не превышает при этом 4%), прочность же падает с повышением температуры, а также с увеличением содержания кремния в чугуне.

Преимущества кремнистых чугунов перед обычным серым чугуном и влияние дополнительного легирования их марганцем и хромом (рис. 288) было подробно исследовано в ЦНИИТмаше. Установлено, что сопротивление росту и окислению повышается с увеличением содержания кремния в указанных сплавах, дополнительное же легирование их хромом и марганцем приносит пользу главным образом при пластинчатой форме графита и только в отношении окалиностойкости. В остальных случаях это может иметь то или иное отрицательное влияние в зависимости от перлитизации структуры. Поэтому полезен отжиг этих чугунов с целью ферритизации. Отрицательно могут повлиять процессы, влекущие за собой укрупнение пластинчатого графита, в том числе и модифицирование. Следует учесть, что соотношение в жаростойкости чугунов зависит от температуры работы отливок или испытания образцов. Интересно отметить, что преимущества высококремнистых чугунов с точки зрения окалиностойкости и ростоустойчивости проявляются только до достижения a —> у-превращения, при повышении же соответствующих высоко расположенных в этих чугунах точек силалы могут оказаться по своим свойствам ниже обычного серого чугуна. Что касается термостойкости и опасности образования трещин при резком изменении температур, то эти свойства обычно ухудшаются при высоком содержании кремния и особенно сильно — при дополнительном легировании хромом, марганцем и другими карбидообразующими элементами. Прогиб под собственным весом этих чугунов увеличивается, как обычно, при шаровидном графите.

Влияние марганца и тем более серы в жаростойких чугунах в общем нельзя считать положительным, хотя марганец, как указывалось, иногда приносит некоторую пользу вследствие повышения стабильности перлита и измельчения графита. Влияние же серы является резко отрицательным, так что в кокилях, например, следует снижать ее содержание до возможного минимума.

Относительно влияния фосфора существуют противоречивые мнения. Можно считать, что при сравнительно невысоких температурах и благоприятной кристаллизации с образованием тонкой сетки фосфидной эвтектики фосфор уменьшает рост чугуна. Однако вследствие понижения термостойкости и опасности образования трещин содержание фосфора держат обычно на низком уровне.

Большое значение с точки зрения повышения жаростойкости имеет легирование чугуна хромом, никелем и алюминием. Низкое легирование хромом чугунов с пластинчатым графитом повышает их сопротивление росту и окалинообразованию, в связи с чем они рекомендованы ГОСТом 7769—63 (табл. 42). Сравнительное влияние хрома на ростоустойчивость и окалиностойкость чугуна при 700° С характеризуется, например, следующими данными:

Вместе с тем следует учитывать, что хромистые чугуны имеют более низкую термостойкость в отношении образования трещин. Так, например, по данным Н.Н. Александрова и Н.И. Клочнева, влияние хрома выражается в этом отношении следующим образом:

При более высоком содержании хрома сопротивление росту и окислению еще больше увеличивается, но при этом полностью тормозится графитизация и чугуны получаются белыми. Из сплавов такого рода наиболее стойкими являются чугуны с содержанием 15—36% Cr. В связи с этим Н.Г. Гиршович и А.Я. Иоффе классифицируют высокохромовые чугуны следующим образом:

При меньшем содержании хрома чугуны очень хрупки и поэтому редко используются. Отличные окалиностой кость и ростоустойчивость чугуна X28K иллюстрируется рис. 288. Видно, что этот чугун (следовательно, и рекомендованный ГОСТом чугун ЖЧХ-30) значительно превосходит по указанным свойствам высококремнистые чугуны. С увеличением содержании хрома в этих сплавах их механические свойства (табл. 40) несколько снижаются, но сопротивление росту и окислению повышается. При этом увеличение содержания углерода снижает пластичность и термостойкость сплавов и сравнительно мало влияет на их прочность, практически не изменяя окалиностойкости, о чем свидетельствуют следующие данные:

Увеличение содержания кремния повышает окалиностойкость сплавов, но понижает их термостойкость в отношении образования трещин, которая и без того находится на низком уровне вследствие малой теплопроводности и низкой пластичности этих сплавов. Следует также иметь в виду, как указывает К.И. Ващенко, что с повышением содержания хрома и углерода понижается эвтектическая точка, которая при 3% С и 30—35% Cr составляет уже 1300° С, а это может стать опасным в условиях применения отливок при высоких температурах. Измельчение структуры этих сплавов с соответствующим повышением механических свойств возможно путем модифицирования их титаном или азотом.

Низкое легирование никелем влияет главным образом вследствие улучшения структуры и повышения плотности чугуна, что особенно заметно проявляется при соответствующем снижении содержания углерода или кремния. Наибольшая же эффективность в отношении повышения жаростойкости проявляется при высоком легировании, обеспечивающем получение аустенитной структуры без фазовых превращений. Соответствующие чугуны типа нирезист, и в частности марки ЧН15Д7Х2, отличаются окалиностойкостью, ростоустойчивостью и термостойкостью, причем сопротивление росту может быть еще повышено при получении шаровидного графита.

Следует при этом указать, что сам по себе никель обеспечивает получение плотной защитной пленки на чугуне только при очень высоких содержаниях (свыше 30%). При более низком содержании, как, например, в чугуне ЧН15Д7Х2, окалиностойкость и ростоустойчивость определяются медью и особенно хромом в большей степени, чем никелем. Так, например, рост этого чугуна в течение 240 ч оказался в следующей зависимости от температуры и содержания хрома:

Повышение жаростойкости никелевых чугунов возможно также путем легирования кремнием. Этот чугун (никросилал) характеризуется следующими составами и свойствами: С = 1,8/2,0%; Si = 5/7%; Mn = 0,8/1,0%; P < 0,3%; S < 0,12%; Ni = 16/20%; Cr = 2/5%; ов = 18/35 кГ/мм2; b = 1/4,5%; ou = 38/60 кГ/мм2; f300 = 5/8 мм; HB 130—180. Сопоставление окалиностойкости разных чугунов при 900° С показывает, что никросилал имеет преимущество перед нирезистом и силалом с пластинчатым графитом, но уступает силалу с шаровидным графитом и хромэксу:

Никросилал характеризуется также повышенной ростоустойчивостью, однако термостойкость его, как и нирезиста, понижается с повышением содержания хрома, о чем свидетельствует число циклов закалки с 700° С до появления трещин:

Как видно из приведенных данных, жаростойкость никелевых чугунов не столь высока, чтобы применение таких дорогих и дефицитных сплавов можно было бы считать целесообразным, если одновременно от отливок не требуются еще другие важные свойства — жаропрочность, антифрикционность, сопротивление коррозии. Кроме того, следует иметь в виду нестойкость чисто никелевых чугунов в атмосфере сернистых газов вследствие образования легкоплавких эвтектик. Поэтому никелевые чугуны и не рекомендованы ГОСТом 7769—63 как жаростойкие.

Гораздо большее значение имеет легирование чугуна алюминием. Этому вопросу посвящено много работ, особенно в Чехии. Как видно из рис. 289, сопротивление окислению и росту этих сплавов в так называемой первой графитной зоне сначала несколько понижается с увеличением содержания алюминия вследствие укрупнения графита, а затем падает вследствие образования плотной защитной пленки из Al2O3 и шпинели FeO*Al2O3. При этом температурные границы возникновения нестойкой вюститной фазы FeO повышаются с увеличением содержания алюминия:

Поэтому содержание алюминия в чугуне должно быть обычно не меньше 6% и тем больше, чем выше температура. На свойства этих чугунов, а следовательно, и на содержание алюминия большое влияние оказывает еще содержание кремния и хрома, а также модифицирование с целью изменения формы графита. Дополнительное легирование кремнием расширяет, а хромом, наоборот, сужает область графитных зон.

Влияние кремния иллюстрируется рис. 290, эффективность же добавки хрома видна из следующих данных:

В связи с этим чисто алюминиевые чугуны (-6% Al) с пластинчатым графитом могут применяться до температур 700—800° С, а с шаровидным графитом или при добавке 2—3% Cr — до 900° С, при добавке же 5—6% Cr — до 1000°С, чему способствует еще исключение графита из структуры. Дальнейшее повышение содержания хрома (до 10%) в чугуне с 6% Al приводит, как показали И.Н. Богачев и др., к образованию сплава (Х10А6), превосходящего по окалиностойкости хромэкс и чугаль:

Сплав Х10А6 по строению относится уже к группе первой карбидной зоны, отличающейся очень высокой окалиностойкостью и ростоустойчивостью при температурах до 1000—1100°С; особенно замечательными в этом отношении являются сплавы с 10—18% Al и 10—20% Cr, которые превосходят все известные до сих пор сплавы по своей окалиностойкости.

К большим преимуществам алюминиевых чугунов следует отнести также их высокую стойкость в атмосфере сернистых газов, сравнительно слабое влияние температуры на их прочность, более резкое увеличение пластичности с повышением температуры и (в противоположность другим чугунам) не разупрочнение, а наоборот, упрочнение в процессе длительной выдержки при повышенных температурах, что, вероятно, объясняется гомогенизацией, а возможно, и некоторыми фазовыми превращениями. Все это значительно компенсирует большой недостаток этих чугунов — их низкие механические свойства и хрупкость при нормальной температуре, что особенно проявляется при добавочном легировании их кремнием. Так, например, при 6% Al чугун имеет следующие механические свойства:

Некоторое повышение свойств возможно добавкой 1,5—2,5% Mn, 1,5—2% Cr или Ni, а также 0,2—0,4% Ti или Nb. Еще большего можно достичь кристаллизацией графита в шаровидной форме в группе чугунов графитной зоны. При этом увеличивается не только их прочность, но и пластичность. Так, например, удлинение чугуна с 5% Al возрастает при 800° С до 8—9% против 2—3% при пластинчатом графите. Вместе с тем следует указать на то обстоятельство, что алюминий при содержаниях до 6—7% увеличивает обезуглероживание при повышенных температурах, что ведет к укрупнению зерна и понижению прочности, восстановлению окисной пленки при наличии CO в газах и к понижению ее защитных свойств. Этот процесс уменьшается и даже устраняется при увеличении содержания алюминия выше 7% и дополнительном легировании хромом (не меньше 0,5%).

С механическими свойствами, главным образом малой пластичностью, связана сравнительно низкая термостойкость алюминиевых чугунов первой графитной и первой карбидной зон в отношении образования трещин (рис. 291), которая понижается с увеличением содержания алюминия даже при наличии шаровидного графита; сопротивление же образованию прогиба под воздействием собственного веса этих чугунов достаточно высокое:

Наибольший интерес, однако, по своим технологическим свойствам и жаростойкости представляют чугуны второй графитной зоны как с пластинчатой, так и особенно с шаровидной формой графита. Эти чугуны типа чугаль, впервые предложенные в России (их состав был дан в табл. 38), применимы для температур до 1000—1100° С. Как велико при этом влияние формы графита, видно из следующего сопоставления скооости окисления и роста при 1100° C:

Шаровидный графит повышает также прочность сплава в 3—5 раз (см. табл. 38 и 42), причем дополнительное легирование его хромом и никелем не оказывает в этом отношении влияния, а повышение содержания кремния понижает прочность и увеличивает твердость сплава, особенно при пониженном углероде, что является естественным следствием высокого содержания алюминия. Это влечет за собой понижение термостойкости и увеличение опасности образования трещин. Так, например, термостойкость этих чугунов по сравнению с другими при 900° С характеризуется следующими данными:

Поэтому следует стремиться к правильному регулированию состава этих чугунов, в частности не превышать излишне содержание алюминия, чтобы обеспечить достаточное содержание углерода. Нужно подчеркнуть, что эти чугуны, как и чугуны предыдущих групп, характеризуются высокой жаропрочностью и сохранением прочности при длительных выдержках в области высоких температур.

К последней группе алюминиевых чугунов принадлежит пирофераль с содержанием 28—30% Al, характеризующийся высокой окалиностойкостью (по некоторым данным до 1240° С) в атмосфере воздуха, кислорода окислительных, восстановительных и сернистых газов, в расплавленной буре (1100—1150° С), жидкой бронзе (1100° С) и других средах. В этом отношении он является выдающимся сплавом. Только, к сожалению, его технологические и механические свойства низки и поэтому применение ограничено. Кроме того, следует учесть возможность его самопроизвольного распада при нормальной температуре вследствие реакции

Этот распад может быть уменьшен или полностью исключен путем удаления водорода отжигом при 900° С с последующим медленным охлаждением (~100 град/ч), а также путем присадки 0,1 % Ti, понижения в допустимых пределах содержания алюминия и повышения содержания углерода.

Что касается влияния остальных элементов на жаростойкость чугуна, то можно отметить только, что медь несколько повышает термостойкость и окалиностойкость, но понижает ростоустойчивость. Молибден же, наоборот, несколько повышает ростоустойчивость простого чугуна, но понижает окалиностойкость вследствие уменьшения связи окалины с основным металлом. Олово в количестве 0,1 % тормозит рост чугунов при 500—650° С вследствие стабилизации структуры, особенно в случае шаровидного графита, но не влияет на рост или даже увеличивает его после разложения перлита.

Влияние других факторов, кроме состава чугуна, на жаростойкость определяется главным образом соответствующим изменением формы графита, плотности чугуна и температурного поля в отливках. Можно отметить, что все факторы, ведущие к изменению графита и улучшению его формы, оказывают благоприятное влияние на ростоустойчивость, а отчасти и на окалиностойкость чугуна. Поэтому применение металлических форм, плавка на древесноугольном чугуне и присадка специальных чугунов с мелким графитом увеличивают сопротивление росту. Так же действуют все мероприятия по уплотнению структуры, в том числе дегазация чугуна.

Большое значение, особенно для таких отливок, как изложницы и кокили, имеет толщина стенок, от которой зависит градиент температуры в них, а следовательно, величина напряжений и термостойкость. Как показали исследования, в каждом отдельном случае существует оптимальная толщина стенок металлических форм (вернее, оптимальное соотношение между толщинами формы и заливаемой в нее отливки), которая обеспечивает максимальную стойкость. Исходя из положения, что толстостенные металлические формы характеризуются большим перепадом температур и опасностью образования трещин, а тонкостенные — большим перегревом и образованием сетки разгара. А.М. Петриченко считает, что оптимальная толщина стенок соответствует условию равенства температуры контакта между отливкой и формой и калориметрической температуры. Это приводит в конечном итоге к следующему соотношению между толщиной стенок формы Хф и приведенной толщиной отливки R (при одностороннем плоском кокиле R равняется абсолютной толщине отливки, при двустороннем — половине этой толщины):

где 0 — избыточная температура чугуна при заливке;

L — теплота кристаллизации; с — теплоемкость металла отливки;

Kв — соотношение тепловой активности формы и металла отливки.

С другой стороны, в литературе встречаются многочисленные эмпирические рекомендации для соотношения между толщинами металлических форм (Хф) и отливок (х), например

Очевидно, что для обеспечения максимальной стойкости металлических форм необходимо установить оптимальное соотношение толщин стенок форм и отливок, которое зависит от многих технологических факторов.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2019
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна