Белый чугун (White Cast Iron): свойства, применение и преимущества

Чугун — сплав железа с 2-4% масс. углерода, 1-3% кремния и малыми количествами примесей. В отличие от стали, чугун имеет более высокое содержание углерода и кремния до 2% по массе. Легированием ограниченными количествами марганца, молибдена, церия, никеля, меди, ванадия, титана перед литьем чугун можно оптимизировать. В зависимости от содержания кремния чугун называют белым (white cast iron) или серым (grey cast iron) и могут дальнейшей обработкой при специфических температурах создавать ковкий (malleable) или высокопрочный (ductile) чугун.

Общие свойства белого чугуна

Чугун ценят за легкость литья в сложные формы в расплавленном состоянии и низкую стоимость. Его свойства легко меняются изменением состава и скорости остывания без значительных изменений технологий. Главные преимущества над литой сталью: быстрая механическая обработка, виброамортизация, сжатая прочность, износостойкость, коррозионная стойкость. Коррозионная стойкость усиливается добавлением кремния, никеля, хрома, молибдена, меди.

Формы чугуна и их применение

Чугун классифицируют на серый, белый, ковкий, высокопрочный в зависимости от состава. Серый чугун (grey cast iron) имеет темно-серый цвет перелома из-за графитовой микроструктуры. Наличие графитовых пластинок обусловлено кремнием, стабилизирующим углерод в виде графита вместо карбида железа. Типичный состав: 2.5-4.0% C, 1.0-3.0% Si.

Применение серого чугуна

Самый распространенный цвет чугуна — серый. Применяется в блоках цилиндров ДВС, маховиках, корпусах КПП, коллекторах, тормозных дисках, кухонной посуде, где полезны высокая жесткость, обрабатываемость, демпфирование трения, высокая тепловая мощность и теплопроводность. Стандарт ASTM A48 — широко используемая классификация серого чугуна по минимальной временной прочности на разрыв (категория 20 — 20 000 psi / 140 МПа).

Белый чугун (Cast Iron White)

Белый чугун имеет белый цвет перелома из-за наличия карбида железа (цементита Fe3C). В отличие от графита, наличие углерода в этой форме — результат меньшего содержания кремния относительно серого чугуна. Обычно белый чугун содержит 1.8-3.6% C, 0.5-1.9% Si, 1.0-2.0% Mn. Белые чугуны высокоизносостойки и хрупки. Из-за микроструктуры с массивными фрагментами карбида железа они обладают высокой твердостью и плохо обрабатываются резанием.

Применение белого чугуна

В износостойких участках, где хрупкость не критична: обмуровки оболочек, насосы для шлама, шаровые мельницы, лифтерные планки, экструзионные сопла, цементные мешалки, трубные фитинги, фланцы, дробилки, рабочие колеса насосов. Высокохромистый белый железо (High chrome white iron, ASTM A532) — типичная марка белого железа. Содержит никель и хром для сильных абразивных применений с низким ударом.

Ковкий чугун (Malleable Cast Iron)

Медленным отжигом белого чугуна получают ковкий чугун. Это превращает углерод из карбида железа в графит в белом железе, остаточная матрица — феррит или перлит. Графит в виде круглых или узлистых форм. Ковкий чугун демонстрирует высокую ковкость и хорошую вязкость. Показывает высокую трещиностойкость при низких температурах из-за меньшего содержания кремния.

Применение ковкого чугуна

Электрические арматуры и машины, ручной инструмент, трубные фитинги, шайбы, кронштейны, сельхозтехника, строительная фурнитура, машиностроительные детали — благодаря высокой предельной прочности и вязкости. Классификация ASTM A47 — распространенная для ковкого чугуна.

Высокопрочный чугун (Ductile Cast Iron)

Существование графита в виде сферических нодулей, как в ковком чугуне, характеризует высокопрочный чугун (nodular/spheroidal graphite cast iron). В отличие от ковкого, высокопрочный образуется специфическим химическим составом, а не отжигом белого железа. Состав: 3.2-3.6% C, 2.2-2.8% Si, 0.1-0.22% Mn, а также Mg, As, Cu, S в малых дозах. Сферическая структура графитовых включений отвечает за наличие марганца.

Применение высокопрочного чугуна

Более вязкий, чем серый или белый чугун, благодаря микроструктуре. Используется как трубы для водоснабжения и канализации. Выдерживает тепловые циклы, применяется в шестернях, подвесках авто, тормозах, клапанах, насосах, гидравлике, корпусах ветряков. Стандарт ASTM A536 — для высокопрочного чугуна.

Хранение и производство белого чугуна

Для производства чугуна железо восстанавливают из руды. В доменной печи руда расплавляется, разделяясь на чугун и шлак. Печь нагревают в кислородной атмосфере до ~1800°C, шлак поднимается и удаляется. Расплавленный чугун содержит ~3-5% C. Затем смешивают с железом, углем, коксом, известняком. Углерод снижают до разделения примесей. На этом этапе могут добавить кремний для превращения углерода в графит или цемендит. После этого чугун литуют в разные формы — и получается белый чугун.