Конструкционные материалы, используемые в электроэнергетике

    Металлическая основа серых чугунов формируется  из аустенита при эвтектоидном распаде  и может быть перлитной, ферритной  и ферритно-перлитной. Образование  перлита происходит легко, в сравнительно короткий промежуток времени. Для получения ферритного белого чугуна используют изотермическую выдержку, в результате которой цементит перлита распадается на феррит и пластинчатый графит.

    Механические  свойства серых чугунов зависят  от свойств металлической основы и, главным образом, от количества, формы и размеров графитных включений. Перлитная основа обеспечивает наибольшие значения показателей прочности и износостойкости.

    На  долю серого чугуна с пластинчатым графитом приходится около 10 % общего производства чугунных отливок. Серые чугуны обладают высокими литейными качествами (жидкотекучесть, малая усадка, незначительный пригар металла к форме и др.), хорошо обрабатываются и сопротивляются износу, однако из-за низких прочности и пластических свойств в основном используются для неответственных деталей. В станкостроении серый чугун является основным конструкционным материалом (станины станков, столы и верхние салазки, колонки, каретки и др.); в автомобилестроении из ферритно-перлитных чугунов делают картеры, крышки, тормозные барабаны и др., а из перлитных чугунов — блоки цилиндров, гильзы, маховики и др. В строительстве серый чугун применяют, главным образом, для изготовления деталей, работающих при сжатии (башмаков, колонн), а также санитарно-технических деталей (отопительных радиаторов, труб). Значительное количество чугуна расходуется для изготовления тюбингов, из которых сооружается туннель метрополитена. Из серого чугуна, содержащего фосфор, изготавливают архитектурно-художественные изделия. 

    2.3.  Ковкие чугуны

    Ковкие  чугуны с хлопьевидной формой графита  получают из белых доэвтектических  чугунов, подвергая их специальному графитизирующему отжигу. Графитизирующий  отжиг белого чугуна основан на метастабильности цементита и состоит обычно из двух стадий (рис. 3)¹.

    Рис. 3. Схема отжига белого чугуна на ковкий  

    Первая  стадия подбирается по длительности такой, чтобы весь цементит, находящийся  в структуре отливки, распался на аустенит и хлопьевидный графит. Процесс графитообразования облегчается при модифицировании (например, алюминием и бором). Чугун, полученный таким образом, называется модифицированным.На второй стадии графитизирущего отжига при температуре эвтектоидного превращения формируется металлическая основа ковкого чугуна. В зависимости от режимов охлаждения ковкие чугуны могут иметь перлитную (непрерывное охлаждение), ферритную или ферритно-перлитную (сокращение продолжительности второй стадии отжига) металлические основы. Для получения в модифицированном ковком чугуне перлитной основы рекомендуется увеличивать содержание марганца, хрома и некоторых других элементов, которые повышают устойчивость цементита к распаду на феррит и пластинчатый графит в области температур эвтектоидного превращения.Ковкие чугуны с перлитной металлической основой обладают высокими твердостью и прочностью в сочетании с небольшой пластичностью. Ковкий ферритный чугун характеризуется высокой пластичностью  и относительно низкой прочностью.Существенными недостатками графитизирующего отжига чугунов является длительность отжига отливок и ограничение толщины их стенок.Ковкие чугуны согласно маркируются двумя буквами (КЧ — ковкий чугун) и двумя группами цифр. Первые две цифры в обозначении марки соответствуют минимальному пределу прочности при растяжении , цифры после тире — относительному удлинению при растяжении. Ковкие чугуны, обладая высокими пластическими свойствами, находят применение при изготовлении разнообразных тонкостенных деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках, — фланцы, муфты, картеры, ступицы и др. Масса этих деталей от нескольких граммов до нескольких тонн.

    Для повышения твердости, износостойкости  и прочности изделий из ковкого  чугуна иногда применяют нормализацию или закалку. Закалка с последующим высоким отпуском позволяет получить структуру зернистого перлита.

    2.4.  Высокопрочные чугуны

    Высокопрочный чугун (ЧШГ — чугун с шаровидным графитом) получают модифицированием жидкими присадками. При этом перед вводом модификаторов необходимо снизить содержание серы .Рекомендуемый химический состав высокопрочного чугуна  выбирается в зависимости от толщины стенок отливки (чем тоньше стенка, тем больше углерода и кремния).

    Чтобы избежать образования в высокопрочных  чугунах ледебурита, их подвергают графитизирующему отжигу. Продолжительность такого отжига благодаря повышенному содержанию графитизирующих элементов (углерода, кремния) значительно короче, чем при отжиге белого чугуна.

    Структура высокопрочного чугуна состоит из металлической  основы (феррит, перлит) и включений графита шаровидной формы. Шаровидный графит, имеющий минимальную поверхность при данном объеме, значительно меньше ослабляет металлическую основу, чем пластинчатый графит, и не является активным концентратором напряжений. Высокопрочные чугуны обладают хорошими литейными и потребительскими свойствами (обрабатываемость резанием, способность гасить вибрации, высокая износостойкость и др.) свойствами. Они используются для массивных отливок взамен стальных литых и кованых деталей — цилиндры, шестерни, коленчатые и распределительные валы и др.

    Для повышения механических свойств (пластичности и вязкости) и снятия внутренних напряжений отливки подвергают термической  обработке (отжигу, нормализации, закалке  и отпуску). Рекомендуется подвергать чугунные изделия объемной закалке. Образование мелкоигольчатого мартенсита в закаленном поверхностном слое изделий повышает их износостойкости в три и более раз. Для повышения износостойкости применяется также азотирование (или азотирование с последующей «обдувкой дробью»), при котором в поверхностных слоях изделий создаются благоприятные сжимающие напряжения. 

    2.5. Чугуны специального назначения

    К этой группе чугунов относятся жаростойкие, жаропрочные и корозийностойкие чугуны. Сюда же можно отнести немагнитные, износостойкие и антифрикционные чугуны.

    Жаростойкими  являются серые и высокопрочные  чугуны, легированные кремнием и хромом. Эти чугуны обладают жаростойкостью, в топочных и генераторных газах. Высокой термо- и жаростойкостью обладают аустенитные чугуны: высоколегированный никелевый серый и с шаровидным графитом .Для повышения жаропрочности чугуны подвергают отжигу с последующим отпуском. После отжига легированные карбиды приобретают форму мелких округлых включений.

    В качестве немагнитных чугунов также применяются аустенитные чугуны. Их используют в тех случаях, когда требуется минимальная потеря мощности (крышки масляных выключателей, концевые коробки трансформаторов и др.) или когда нужно избегать искажений магнитного поля (стойки для магнитов).

    К износостойким чугунам относятся  половинчатые и отбеленные чугуны. К износостойким половинчатым чугунам  относится, например, серый чугун, легированный никелем и хромом, а также чугуны (с шаровидным графитом). Из этих чугунов  отливают детали двигателей внутреннего сгорания (крышки и днища цилиндров, головки поршней и др.).

    Антифрикционными  чугунами являются серые и высокопрочные  чугуны специальных марок. Некоторое  применение нашли также ковкие антифрикционные ферритно-перлитные чугуны. Антифрикционные серые чугуны — перлитные чугуны и перлитно-ферритный чугун. Эти чугуны обладают низким коэффициентом трения, зависящим от соотношения феррита и перлита в основе, а также от количества и формы графита. В перлитных чугунах высокая износостойкость обеспечивается металлической основой, состоящей из тонкого перлита и равномерно распределенной фосфорной эвтектики при наличии изолированных выделений пластинчатого графита.

    Антифрикционные серые чугуны применяют для изготовления подшипников скольжения, втулок и  других деталей, работающих при трении о металл, чаще в присутствии смазочного материала. Детали, работающие в паре с закаленными или нормализованными стальными валами, изготавливают из чугунов, а для работы в паре с термически необработанными валами применяют чугун.

    Главное достоинство антифрикционных чугунов  по сравнению с баббитами и  антифрикционными бронзами — низкая стоимость, а основной недостаток — плохая перирабатываемость, что требует точного сопряжения трущихся поверхностей.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    3. Свойства чугуна 

3.1.Общие  свойства чугуна

  Основными составляющими чугуна являются железо и углероды. Свойства чугуна определяются структурой основной металлической  массы, формой, количеством и расположением  графитных включений. В равновесном состоянии структура железоуглеродистых сплавов определяется диаграммой. При изменении состава меняется:  
эвтектическая температура (⁰С).Т = 1135+5Si - 35P - 2Mn + 4Cr; 
концентрация углерода в эвтектике (%) C = 4.3 - 0.3 (Si + P) - 0.04Ni - 0.07Cr; 
эвтектоидная температура T. = 723 + 20 Si + 8Cr - 30Ni - 10 Cu - 20 Mn ; 
концентрация углерода в эвтектоиде C = 0.8 - 0.15Si - 0.8Ni - 0.05 (Cr + Mn).

  Положение критических точек определено при  нагреве; при охлаждении точки располагаются  ниже. С достаточной точностью для нелегированного чугуна большинства марок применимы упрощенные формулы: 
концентрация углерода в эвтектике C = 4.3 - 0.3 (Si + P); 
концентрация углерода в эвтектоиде C = 0.8 - 0.15Si.

  Влияние элементов на структуру приведено  в таблице 1. Коэффициенты, характеризирующие относительное графитизирующие действие, могут быть использованы только при содержаниях углерода (≈ 3%) и кремния (≈2 %).

  Таблица 1. Ориентировочное  влияние элементов на структуру чугуна.

3.2.Физические и механические свойства

  Главнейшие  физические и механические свойства структурных составляющих чугуна приведены  в таблице 2, а типичные физические свойства чугуна - таблице 3. Приведенный в таблице 3 удельный вес может значительно изменяться в зависимости от количества связанного углерода и наличия пор. Удельный вес жидкого чугуна при температуре его плавления равен 7,0 ± 0,1 Г/см2; он понижается при увеличении содержания обычных примесей. Приведенный в таблице 3 обратимый коэффициент линейного расширения зависит от структуры чугуна.

  Необратимое увеличение объема (рост) резко увеличивается  при переходе через температуру  фазовых превращений и доходит  до 30%, но обычно не превосходит 3% при нагреве до 500оС. Увеличению роста благоприятствует графитообразующие элементы, а препятствуют - карбидообразующие элементы и нанесение на поверхность чугуна покрытый (гальванических, методом металлизации, эмалирования).

  Таблица 3. Типичные физические свойства чугуна