Белый чугун

Белый чугун — это вид чугуна, в котором углерод находится преимущественно в химически связанном состоянии в виде цементита (карбида железа Fe₃C), а не в виде графита. В изломе такой чугун имеет характерный матово-белый цвет и металлический блеск, что и дало ему название. Относится к группе литейных сплавов железа с углеродом (содержание углерода обычно составляет от 2,14 % до 6,67 %), отличаясь высокой твёрдостью, хрупкостью и износостойкостью.

Структура и фазовый состав

Микроструктура белого чугуна определяется отсутствием графитных включений. Весь углерод в сплаве находится в виде цементита (Fe₃C), который образует эвтектическую смесь с аустенитом (ледебурит) или, в зависимости от скорости охлаждения и химического состава, другие структурные составляющие.

Основные структурные составляющие

• Ледебурит — эвтектика в системе железо-цементит, состоящая из чередующихся пластинок (или зёрен) цементита и аустенита (при комнатной температуре — перлита). Характерен для доэвтектических и эвтектических белых чугунов.
• Цементит (Fe₃C) — карбид железа, обладающий очень высокой твёрдостью (около 800–1000 HV) и хрупкостью. В зависимости от содержания углерода может быть первичным (выделяющимся из жидкой фазы), вторичным (из аустенита) или эвтектическим.
• Перлит — продукт распада аустенита при медленном охлаждении, состоящий из феррита и цементита. Присутствует в доэвтектических белых чугунах.
• Аустенит — твёрдый раствор углерода в γ-железе. При комнатной температуре обычно нестабилен, но может сохраняться в легированных белых чугунах (например, с высоким содержанием марганца или никеля).

Классификация по структуре

По соотношению фаз и содержанию углерода белые чугуны делятся на три основные группы:

• Доэвтектические (содержание углерода 2,14–4,3 %). Структура: перлит + ледебурит + вторичный цементит.
• Эвтектические (содержание углерода около 4,3 %). Структура: чистый ледебурит.
• Заэвтектические (содержание углерода 4,3–6,67 %). Структура: первичный цементит + ледебурит.

Свойства

Белый чугун обладает рядом специфических физико-механических свойств, которые отличают его от других видов чугунов (серого, ковкого, высокопрочного).

Механические свойства

• Высокая твёрдость. Твёрдость белого чугуна обычно составляет 400–600 HB (по Бринеллю), а у легированных марок может достигать 800 HB и выше. Это обусловлено большим количеством цементита.
• Чрезвычайная хрупкость. Белый чугун практически не имеет пластичности. Относительное удлинение при разрыве близко к нулю. Он плохо обрабатывается резанием, так как режущий инструмент быстро изнашивается.
• Высокая износостойкость. Благодаря твёрдому цементиту, белый чугун хорошо сопротивляется абразивному износу, что делает его незаменимым для деталей, работающих в условиях интенсивного истирания.
• Низкая ударная вязкость. Сплав разрушается при малых ударных нагрузках.

Технологические свойства

• Плохая обрабатываемость резанием. Из-за высокой твёрдости и хрупкости обработка белого чугуна возможна только абразивными инструментами (шлифовка) или специальными твёрдосплавными резцами.
• Высокая жидкотекучесть. В расплавленном состоянии белый чугун обладает хорошей текучестью, что позволяет получать отливки сложной формы.
• Склонность к отбелу. При быстром охлаждении отливки из серого чугуна на поверхности может образоваться тонкий слой белого чугуна (отбеленный слой), что используется в некоторых технологиях.

Получение

Белый чугун получают в результате кристаллизации расплава с определённым химическим составом и скоростью охлаждения. Основные факторы, способствующие образованию белого чугуна:

• Быстрое охлаждение. При высокой скорости охлаждения (например, в металлических формах — кокилях) углерод не успевает выделиться в виде графита и остаётся в связанном состоянии в виде цементита.
• Низкое содержание кремния. Кремний является графитизирующим элементом, способствующим выделению графита. Для получения белого чугуна содержание кремния обычно ограничивают (менее 1–2 %).
• Повышенное содержание марганца. Марганец стабилизирует цементит и препятствует графитизации.
• Легирование. Добавки хрома, ванадия, молибдена и других карбидообразующих элементов способствуют образованию цементита и его сложных карбидов.

Классификация по назначению

Белые чугуны делятся на несколько основных типов в зависимости от области применения и легирования.

Обычный (нелегированный) белый чугун

Используется для изготовления деталей, не требующих высокой прочности, но работающих в условиях абразивного износа. Примеры: мельничные футеровки, дробемётные лопатки, тормозные колодки (исторически), детали насосов для перекачки абразивных сред.

Легированный белый чугун

Для повышения износостойкости, коррозионной стойкости или жаропрочности в состав вводят легирующие элементы. Наиболее распространённые марки:

• Хромистый белый чугун (содержание хрома 12–28 %). Хром образует твёрдые карбиды (Cr₇C₃, Cr₂₃C₆), что значительно повышает износостойкость. Применяется в горнорудной промышленности (бронеплиты, шары мельниц, лопатки дробилок).
• Никель-хромистый белый чугун (например, марки «Ни-Хард»). Содержит никель (3–5 %) и хром (1,5–3 %). Отличается высокой твёрдостью и ударной вязкостью. Используется для деталей, работающих в условиях ударно-абразивного износа (щёки дробилок, молотки, била).
• Марганцовистый белый чугун (содержание марганца 5–12 %). Марганец стабилизирует аустенит, что может придавать сплаву некоторую пластичность. Используется в производстве мелющих тел.
• Ванадиевый и молибденовый белый чугун. Легирование ванадием и молибденом позволяет получать мелкодисперсные карбиды, повышающие износостойкость и твёрдость.

Отбеленный чугун

Это серый чугун, у которого поверхностный слой отливки (толщиной от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров) состоит из белого чугуна, а сердцевина — из серого. Получается путём ускоренного охлаждения поверхности (например, с помощью металлических холодильников в форме). Такая структура сочетает высокую износостойкость поверхности с вязкостью и прочностью сердцевины. Применяется для изготовления прокатных валков, колесных пар, деталей дробилок.

Применение

Основные области применения белого чугуна связаны с его высокой износостойкостью:

• Горнорудная промышленность: футеровки мельниц, бронеплиты, шары для шаровых мельниц, лопатки дробилок, щёки дробилок.
• Металлургия: прокатные валки (отбеленные), детали агломерационных машин.
• Строительство: лопатки бетономешалок, детали бетононасосов, наконечники шнеков.
• Машиностроение: детали насосов для перекачки абразивных пульп, тормозные колодки (исторически), гильзы цилиндров (в некоторых двигателях).
• Производство ковкого чугуна. Белый чугун является исходным материалом для получения ковкого чугуна. Отливки из белого чугуна подвергаются длительному отжигу (графитизирующему), в результате которого цементит распадается с образованием графита хлопьевидной формы, что придаёт чугуну пластичность.

Достоинства и недостатки

Достоинства

• Чрезвычайно высокая износостойкость, превосходящая большинство конструкционных сталей.
• Высокая твёрдость, позволяющая противостоять абразивному износу.
• Хорошая жидкотекучесть, позволяющая получать сложные отливки.
• Относительно низкая стоимость по сравнению с легированными сталями аналогичного назначения.

Недостатки

• Чрезвычайная хрупкость, невозможность работы при ударных нагрузках.
• Плохая обрабатываемость резанием, что ограничивает возможности механической обработки.
• Низкая ударная вязкость.
• Склонность к трещинообразованию при термической обработке.

Интересные факты

• Белый чугун исторически использовался для изготовления пушечных ядер и некоторых видов орудийных стволов, где требовалась высокая твёрдость.
• В XIX веке из белого чугуна изготавливали детали паровых машин, работающие в условиях износа (например, золотники).
• Отбеленный чугун для прокатных валков до сих пор является одним из основных материалов в металлургии.
• В современной промышленности доля белого чугуна в общем объёме производства чугуна невелика (менее 5 %), однако его значение в узкоспециализированных областях остаётся высоким.

Источники

• Марочник сталей и сплавов / Под ред. В. Г. Сорокина. — М.: Машиностроение, 1989.
• Металловедение и термическая обработка стали и чугуна: Справочник / Под ред. А. Г. Рахштадта. — М.: Металлургия, 1983.
• Гуляев А. П. Металловедение. — М.: Металлургия, 1986.
• Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение. — М.: Машиностроение, 1990.