Чугун — один из наиболее распространённых материалов в промышленном производстве благодаря своей доступности, простоте литья и отличным механическим свойствам. Однако в условиях агрессивных сред — химических реагентов, морской воды, высоких температур — стандар тные марки чугуна быстро теряют прочность и разрушаются. Для обеспечения долговечности оборудования применяют специальные чугуны с повышенной коррозионной устойчивостью и термостойкостью. Рассмотрим ключевые факторы, влияющие на эти свойства, и способы их улучшения.
1. Типы чугуна и их особенности
- Серый чугун
- Основной сплав Fe-C-Si с углеродом в виде пластинчатого графита. Хорошая обрабатываемость и демпфирование, но невысокая коррозионная и термостойкость.
- Ковкий (модифицированный) чугун
- Сфероидальный (ласточкин хвост) графит, улучшенная прочность и пластичность, умеренная коррозионная стойкость.
- Белый чугун и Ni-Hard
- Высокая твёрдость за счёт цементита, отличная износостойкость, но без легирования подвержен коррозии и хрупок.
- Коррозионностойкие чугуны (Ni-Cast, Cr-Cast)
- Содержание никеля (5–30 %), хрома (1–14 %) и меди (1–3 %) формирует устойчивый адсорбционный слой при контакте с агрессивной средой, что повышает ресурс в серной, соляной кислотах и атмосферной коррозии.
- Термостойкие чугуны
- Легированные молибденом и хромом сплавы выдерживают температуры до 650–700 °C без значительного ухудшения структуры.
2. Механизмы коррозии чугуна
- Химическая коррозия: контакт с кислотными или щелочными средами приводит к растворению матрицы и графита.
- Электрохимическая коррозия: в присутствии электролитов (морская вода, расплавленные соли) между матрицей и графитовым включением возникает гальванический элемент.
- Окислительная коррозия при высоких температурах: образование оксидных плёнок (Fe₂O₃, Fe₃O₄), которые при температуре выше 500 °C отслаиваются, открывая новую чистую поверхность для дальнейшего окисления.
3. Факторы, повышающие коррозионную устойчивость
- Легирование никелем (Ni): образует адгезионно-устойчивую аустенитную матрицу и способствует формированию плотного поверхностного слоя при окислении.
- Легирование хромом (Cr): создаёт хромокремниевую плёнку, препятствующую диффузии кислорода и солей в глубину металла.
- Медь (Cu): повышает сопротивление растворению в серных и соляных кислотах.
- Кремний (Si): деоксидант, снижает пористость; в количестве 1–3 % улучшает образование защитных силоксидных слоёв.
4. Факторы термостойкости
- Высокий хром (12–25 %): устойчивость к окислению при 600–700 °C.
- Молибден (Mo): препятствует ползучести и распадению структуры при длительном нагреве.
- Алюминий (Al) и кремний: способствуют формированию стабильных оксидных барьеров (Al₂O₃, SiO₂).
- Графит в виде чешуек (в модифицированном чугуне): демпфирует тепловые перепады и препятствует термическим трещинам.
5. Технологии повышения свойств
- Оптимизация химсостава: точный расчёт Ni, Cr, Mo, Cu и Si для баланса коррозионной и термостойкой защиты.
- Специальные формовочные смеси (ХТС): холодно-твердеющие смеси обеспечивают однородность и минимизацию дефектов, что препятствует локальной коррозии.
- Термообработка: нормализация и выдержка при 650–700 °C с последующим медленным охлаждением улучшают структурную стабильность.
- Поверхностные покрытия: оксидные, никелевые или керамические покрытия дополнительно защищают от агрессивных реагентов и высоких температур.
6. Примеры применения
- Корпуса насосов и клапанов в химпромах: чугуны 25 % Ni + 2 % Cu + 1 % Si выдерживают аксидативные и кислотные среды.
- Печи термообработки: футеровка из высокохромистых чугуно-стальных сплавов сохраняет целостность при 700 °C.
- Системы охлаждения турбин: коррозионностойкие чугуны с Ni и Mo противостоят конденсатам и солевым аэрозолям.
Правильный подбор легирующих элементов и технологий литья позволяет кор розионностойкому и термостойкому чугуну эффективно работать в самых агрессивных средах. Использование Ni-, Cr- и Mo-легированных сплавов вместе с формовочными смесями ХТС и термообработкой обеспечивает максимальный срок службы оборудования в химической, нефтегазовой и энергетической отраслях.