Белый чугун

Белый чугун характеризуется высоким содержанием углерода, который находится в связанном состоянии. Присутствие малых количеств графита в нем визуально не определяется, его можно обнаружить лишь методом спектрального или химического анализа. Мелкозернистая структура сплава дает на изломе белый цвет.

Состав и виды

Углерод в составе белого чугуна образует цементитную структуру. В зависимости от его содержания, различают сплавы:

• доэвтектические (до 4,3% углерода) – они характеризуются смесью перлита, вторичного цементита и ледебурита;
• эвтектические – 4,3%;
• заэвтектические – от 4,35 до 6,67%.

Классификация по кристаллической структуре дает следующие виды:

• обыкновенный сплав – обладает мелкозернистой структурой, которая не изменяется при воздействии высоких температур;
•  отбеленный сплав – имеет основу из высокопрочного серого чугуна с белым поверхностным слоем глубиной до 3 см из перлита и ледебурита;
• легированный – делится на 3 вида, которые различаются количеством добавок.

В качестве легирующих элементов используются карбидообразующие элементы:

• марганец, образуя карбиды, стабилизирует в белом чугуне структуры цементита и аустенита, а также нейтрализует влияние серы;
• хром – увеличение его содержания от 9 до 14% повышает сопротивление растяжению от 160-260 до 340-450 МПа;
• кремний – его концентрация не должна превышать 0,6-0,9%, чтобы предотвратить образование графита.

При введении в доэвтектическую структуру этих элементов повышаются прочность и устойчивость аустенита и ледебурита. Степень легированности и физико-механические свойства зависят также от размеров отливок и условий охлаждения.

Особенности получения

При получении белого чугуна важно во время кристаллизации расплава исключить процесс графитизации, что делается:

• оптимальным подбором исходных веществ;
• технологией охлаждения сплава в формах.

Степень износостойкости отливок в большей мере определяется природой и составом карбидов. Легирование металла никелем, марганцем и хромом дает мартенситно-карбидную структуру. При их суммарной концентрации, равной содержанию углерода, образуется максимально твердая структура.

Чаще всего в качестве главной легирующей добавки используется хром. Он придает сплаву высокую коррозионную устойчивость, которая сохраняется даже в агрессивных средах. После нормализации эти заготовки устойчивы к действию кислот при температуре до 1000 градусов. Дополнительное легирование никелем (0,1%), титаном (0,5%) и медью (0,5-2,0%) придает деталям способность сохранять геометрическую форму и первоначальные размеры в условиях длительного нагрева.

Изделия из высокохромистого белого чугуна, который называют сормайт, способны работать при температурах 800-900 градусов. В его составе:

• содержание углерода – 2,5-3,3%;
• кремния – 2,0-2,5%;
• марганца – 1,0-1,5%;
• никеля – 3,0-5,0%.

Предварительно заготовки подвергают обжигу для снятия внутренних напряжений. В процессе отжига температура медленно повышается до 850 градусов, после чего следует постепенное охлаждение. Полученные детали характеризуются:

• высокой прочностью;
• износостойкостью;
• отсутствием склонности к образованию трещин;
• удельным электросопротивлением – 1,4-1.5 ом*м/мм².

Механические свойства

Благодаря тому, что белый чугун содержит углерод в виде карбидов, он демонстрирует хорошие прочностные характеристики:

• повышенную твердость (до 700-800 НВ), затрудняющую обработку деталей;
• большое удельное сопротивление;
• высокую износоустойчивость;
• стойкость к воздействию высоких температур и их перепадам;
• антикоррозийные свойства.

Сплавы с пониженным содержанием углерода более устойчивы к интенсивному тепловому воздействию. Эту особенность используют для уменьшения числа трещин в металле. При легировании никелем, хромом, ванадием образуется жаропрочный сплав, обладающий высокой износоустойчивостью.

Особенности состава определяют отрицательные свойства белого чугуна:

• из-за повышенной хрупкости отливки могут расколоться от резкого удара;
• плохие литейные свойства приводят к образованию полостей при заполнении форм;
• усадка при охлаждении может достигать 2%;
• низкая обрабатываемость затрудняет фрезеровку, резание.

Материал очень плохо поддается сварке даже при нагреве – в месте шва образуются микротрещины, которые при остывании еще больше увеличиваются.

Расшифровка маркировки

Сплав маркируется буквенно-цифровым кодом, который указывает на его основные свойства и легирующие добавки:

• буква «Ч» обозначает вид сплава;
• далее следует код, определяющий состав легирующих добавок – П, ПЛ, ПВК;
• для обозначения повышенной износостойкости впереди добавляется буква «И»;
• на наличие в сплаве графита шаровидной формы указывает знак «Ш»;
• далее следуют цифры, свидетельствующие о содержании легирующих элементов.

Расшифровка марки белого чугуна ЧН20Д2ХШ дает следующую информацию – это высоколегированный жаропрочный материал, наряду с железом и углеродом содержащий:

• 20% никеля;
• 2% меди;
• 1% хрома;
• графит шаровидной формы.

Марки Х28, Х34 представляют нержавеющий чугун с высоким удельным электросопротивлением.

Область применения

Высокие прочностные характеристики сплава и способность сохранять заданную форму при тепловом воздействии нашли применение:

• в станкостроении;
• производстве механизмов для морского транспорта;
• оснований станков;
• корпусов двигателей;
• деталей горнодобывающего оборудования.

Высокая твердость в сочетании с хрупкостью затрудняет механическую обработку методами резания или фрезерования и требует применения инструментов из специальных марок сталей. Поэтому в качестве конструкционного материала применение белого чугуна ограничено. Специальные передельные виды с пониженным содержанием кремния используют для выплавки стали и в литейном производстве.

Половинчатые или отбеленные разновидности содержат углерод в виде карбидов и в свободном состоянии. Они обладают высокой износоустойчивостью и применяются для изготовления фрикционных механизмов, подвергающихся сухому трению:

• тормозных колодок;
• разнообразных валов прокатного оборудования.

Для некоторых изделий требуется высокая поверхностная твердость структуры цементита. Ее создают искусственно путем быстрого охлаждения заготовки до глубины 5 мм. Эта операция называется отбеливанием. Она необходима:

• для валков прокатных станов;
• шаров мельниц;
• лемехов для плугов;
• коленчатых валов дизельных двигателей.

Получение ковкого чугуна

Белый чугун служит сырьем для получения других видов металлургической продукции. Его используют для производства ковкого чугуна с помощью термической обработки, во время которой происходит процесс графитизации и обезуглероживания заготовок. Соотношение в сырье исходных элементов составляет:

• углерода – 2,5-3,2%;
• кремния – 0,6-0,9%;
• марганца – 0,3-0,4%;
• фосфора – 0,1-0,2%;
• серы – 0,06-0,1%.

В нем присутствует структура ледебурита, представляющего механическую смесь цементита и перлита. Заготовки на специальных поддонах медленно пропускают через камеры с заданным температурным режимом. Скорость движения рассчитывается таким образом, чтобы металл подвергался тепловому воздействию в течение определенного времени.

Отжиг проходит в несколько этапов с разными температурными режимами:

• нагрев;
• 1 стадия – выдержка при температуре выше критической (950-1050 градусов) для полного распада цементита;
• промежуточное охлаждение;
• 2 стадия графитизации – выдержка при температуре ниже критической (750-720 градусов);
• охлаждение.

Время отжига можно сократить предварительной закалкой отливок и в дальнейшем применить более высокий температурный режим. Но при этом в структуре металла образуются напряжения и трещины. Поэтому метод используется ограниченно – только для небольших деталей простой формы.