Вуглецеві чавуни.

Чавун — сплав заліза з вуглецем, який може містити від 2,14 до 4,3% вуглецю.

Сірі чавуни також містять, крім вуглецю, значну кількість постійних домішок (Sі, Мn, S, Р).Кремній — графітоутворюючий елемент, який сприяє розпа­данню цементиту в чавуні і виділенню графіту. З підвищенням вмісту кремнію кількість цементиту в чавуні зменшується, а графіту відповідно збільшується. При цьому твердість і міц­ність чавуну знижуються. Кремній, крім того, збільшує рідко- текучість і знижує температуру плавлення чавуну. У сірих чаву­нах його вміст становить 0,75—3,75%.

Марганець, навпаки, перешкоджає розпаданню цементиту і тим самим сприяє вибілюванню чавуну. У сірих чавунах його вміст досягає 1,2%. У такій кількості він підвищує міцність і рідкотекучість чавуну.

Сірка — це шкідлива домішка, бо вона знижує рідкотеку­чість чавуну, надає йому крихкості, перешкоджає розпаданню цементиту, збільшує усадку. Вміст сірки в чавуні не повинен перевищувати 0,1 %.

Фосфор утворює в чавуні тверду і крихку евтектику. Тому у виливках деталей машин, які зазнають ударних навантажень, вміст фосфору не повинен перевищувати 0,3%. Поряд з тим фосфор підвищує рідкотекучість і зменшує усадку чавуну, тому в чавунах, призначених для виготовлення виливків складної конфігурації з гладенькою поверхнею (наприклад, художнього литва), вміст фосфору іноді збільшують до 1,2%.

Отже, змінюючи вміст і співвідношення постійних домішок, можна в певних межах змінювати структуру чавуну і його влас­тивості.

Структура металевої основи сірих чавунів нічим не відрізня­ється від структури сталей. Тому ці чавуни можна розглядати як сталь із включеннями графіту. Сірі чавуни, основа яких скла­дається з фериту, називають феритними, з фериту і перліту — ферито-перлітними, а з перліту-перлітними.

Механічні властивості сірих чавунів в основному визнача­ються розмірами і формою графічних включень — пластинчас­тою, пластівчастою або кулястою. Чавуни з пластинчас­тою формою графіту називають звичайними сірими, з пластів­частою — ковкими і з кулястою — високоміцними.

Звичайні сірі чавуни(рис.15,а) виплавляють із спеціальної шихти в різних плавильних агрегатах (вагранках, електропечах). Структура цих чавунів зумовлюється повільним охолодженням і наявністю деяких домішок (головним чином кремнію), що спри­яють розпаданню цемен­титу. Типовий склад сірих чавунів такий: 3,2—3,5% С; 1,5—3,0% Si; 0,4—0,6% Мn; 0,10—. 012% S; 0,3- 0,8% Р.

а б в

Рис. 15 Схеми мікроструктур сірих чавунів

Особливостями будови звичайного сірого чавуну зумовлю­ються його низькі механічні властивості. Оскільки графітні включення мають дуже малу міцність, то практично вони явля­ють собою пустоти в чавуні. Вони є внутрішніми надрізами в металевій основі, які виконують роль концентраторів напру­жень. Тому чавун з пластинчастим графітом має малу міцність, низьку пластичність, погано витримує ударні навантаження. Границя його міцності при розтяганні становить 120— 380 Мн/м² (12—38 кГ/мм²), твердість НВ 145—270, відносне здовження 0,2- 0,8%, а ударна в’язкість не перевищує 0,1 Мдж/м², або 1 кГ*м/см² (ударна в’язкість фериту досягає 2 Мдж/м², або 20 кГ *м/см²).

Ковкий чавун (рис. 15,6) утворюється з білого. Для цього виливки з білого чавуну піддають графітизуючому від­палюванню протягом 50—80 год.

Щоб мати ковкий феритний чавун, застосовують двостадійне відпалювання: першу стадію графітизації проводять при темпе­ратурі, близькій до 950° С, а другу — при 750° С. При недостат­ній тривалості другої стадії чавун має ферито-перлітну основу. Ковкий перлітний чавун утворюється в результаті однієї стадії відпалювання при температурі 950° С.

Графітні включення пластівчастої форми меншою мірою роз’єднують металеву основу, тому ковкий чавун міцніший і пластичніший від звичайного сірого, має більш високу в’язкість. Границя його міцності при розтяганні становить 300—630 Мн/м² (30—63 кГ/мм²), відносне здовження 2-12%. Це дає змогу застосовувати ковкий чавун для виготовлення деталей, які пра­цюють при помірних ударних навантаженнях (шестерень, кілець, ланцюгів, кронштейнів). Сама ж назва ковкого чавуну умовна: незважаючи на пластичність, обробляти тиском його не можна.

Високоміцний чавун дістають, добавляючи до рід­кого сплаву перед розливанням невеликі порції магнію або церію. При цьому утворюються часточки графіту кулястої фор­ми (рис. 15, в), яка виключає наявність гострих надрізів усере­дині металевої основи. Тому міцність, пластичність і в’язкість чавуну значно підвищуються. У високоміцного чавуну міцність при розтяганні досягає 600 Мн/м² (60 кГ/мм²), відносне здов­ження— 10%, а ударна в’язкість — 0,3 Мдж/м² (3 кГ*м/см²). Такий чавун є повноцінним замінником литої і штампованої сталі.

Навчальне питання 2. Роль заліза в техніці.

Сталяминазиваються сплави заліза і вуглецю, які містять до 2,14 % вуглецю. Існують наступні види сталей.

Технічне залізо. Ці сплави використовуються в електротехнічній промисловості для виготовлення магнітопроводів, якоря і полюса машин постійного струму, роторів, статорів асинхронних двигунів, силових трансформаторів, апаратів, приладів та ін.

Конструкційні сталі – сталі, які призначені для виготовлення деталей машин, конструкцій та споруд. Конструкційні сталі повинні характеризуватися високою межею плинності при високій пластичності та низьким порогом холодноламкості. Ці сталі повинні мати хороші технологічні властивості – гарну оброблюваність тиском та різанням не утворювати шліфовочні тріщини, мати високу прогартованість і малу схильність до зневуглецювання, деформації та тріщиноутворення при гартуванні. Конструкційні сталі повинні гарно зварюватись усіма видами зварювання.

Інструментальні вуглецеві сталі. Вони використовуються для виготовлення ріжучого, вимірювального, формоутворюючого та хірургічного інструменту – фрези, свердла, пилки, ножовочні полотна, напильники, леза, гострий хірургічний інструмент.

Конструкційні сталі звичайної якості загального призначення

(ГОСТ 380 – 88 ).

Сталі цього класу діляться на три групи.

Група А – поставляється замовнику з гарантованими механічними властивостями, у вигляді гарячекатаного прокату – балки, швелери, кутники, прутки, листи, труби. Використовуються у будівництві.

Група Б – поставляється замовнику з гарантованим хімічним складом. Це прокат, який піддається тепловому впливу – гарячій пластичній деформації та термічній обробці – малонавантажені деталі – вали, осі, зубчаті колеса.

Група В – поставляється з нормованими механічними властивостями і хімічним складом. Використовуються для виготовлення деталей зварюванням, коли необхідно знати склад сталі. Властивості металу подалі від зони теплового впливу при зварюванні відповідають властивостям вихідного металу.

Якісні сталі. Від сталей звичайної якості якісні відрізняються меншим вмістом сірки та фосфору та меншою кількістю неметалевих включень.

У сталях цього класу достатньо високий комплекс механічних властивостей, який досягається термічною обробкою. Вони мають також хороші технологічні властивості ( оброблюваність різанням, зварюваність, деформованість ). Ці сталі не дефіцитні, вони дешеві. Основний недолік – мала прогартованість, а це накладає певні вимоги по розмірах деталей (малі перетини). Ці сталі, як правило, у машинобудуванні використовуються для виготовлення простих деталей невеликого перетину.

Чавунаминазиваються сплави заліза і вуглецю, які містять більше 2,14 % вуглецю. В залежності від стану вуглецю чавуни бувають білими та сірими. Так як і сталі, чавуни це не прості подвійні сплави, а це багатокомпонентні сплави. Вони містять ті ж постійні домішки – Mn, Si, P, S, але в більших кількостях, тому суттєво впливають на процес графітизації чавуну і відповідно на структуру ат властивості.

Білим називається чавун, у якого весь вуглець знаходиться у зв’язаному стані у вигляді цементиту.Колір чавуну сріблясто – білий. Фазовий склад чавунів при кімнатній температурі такий же як і у сталей – Ф+Ц, але властивості відрізняються, оскільки у білих чавунах велика кількість цементиту.

По кількості вуглецю і структурі білі чавуни діляться на доевтектичні (2,14 – 4,3% С), евтектичні (4,3% С), заевтектичні (4,3 – 6,67% С).

У промисловості використовуються в основному до евтектичні чавуни. Із білих чавунів виливають валки прокатних станів, стрілки трамвайних рейок, бандажі вагонних коліс, кулі різних млинів. Із цього чавуну отримують ковкий чавун. Як правило, відливки мають структуру половинчастого чавуну, у якого на поверхні утворюється структура білого чавуну, а серцевина представляє собою сірий чавун. Білий чавун – це переробний чавун, який іде на виплавку сталей.

Сірим називається такий чавун, у якому весь вуглець перебуває у вільному стані у вигляді графіту.

Металева основа у сірому чавуні забезпечує найбільшу міцність та зносостійкість при перлітній основі. Присутність фериту, не підвищуючи пластичність і в'язкість чавуну, знижує його міцність та зносостійкість. Сірий чавун добре гасить вібрації і резонансні коливання, високі антифрикційні властивості. З сірого чавуна виготовляють – будівельні колони, фундаментні плити, литі малонавантажені деталі сільгоспмашин, верстатів, автомобілів, тракторів, арматура, станини потужних верстатів, поршні циліндрів, деталі, що працюють на знос в умовах високого тиску, компресорів, дизельних циліндрів,блоки двигунів, деталі металургійного обладнання.

Ковкий чавун – це чавун з пластівцевою формою графітних включень. В порівнянні з пластинчатим графітом, пластівцевий графіт розташовується в металевій основі чавуну більш компактно, включення графіту не діють як гострі надрізи і тому такі включення в меншій мірі ослаблюють металеву основу.

Виливки із ковких чавунів застосовують для деталей, що працюють при ударних і вібраційних навантаженнях (картери, редуктори, фланці, муфелі, крюки, скоби).

Перлітні ковкі чавуни характеризуються високою міцністю, помірною пластичністю і хорошими антифрикційними властивостями. З них виготовляють вилки карданних валів, втулки, муфти, тормозні колодки, ланки і ролики цепів конвеєра та ін.

Високоміцні чавуни використовують для виливання деталей в автобудуванні, дизелебудуванні – колінчаті вали,кришки циліндрів, деталі прокатних станів, в ковальсько – пресовому обладнанні – шаботи, молоти, траверси, преси, корпуси насосів, вентилі – у хімічній та нафтовій промисловості.

Навчальне питання 3. Властивості заліза. Явище поліморфізму в залізі та його використання в техніці. Взаємодія заліза з вуглецем.

Залізо високої чистоти — це метал білого кольору з доб­ре виявленими феромагнітними властивостями. Міцність заліза 200 -250 Мн(м² (20-25кГ/мм²), твердість НВ 60—80, відносне здовження 40 -50%.