Лекція №32

Навчальні питання:

1. Структура та властивості чавунів. Класифікація.

2. Виробництво чавунів.

Навчальне питання 1. Структура та властивості чавунів. Класифікація.

Білі чавуни. Білими називають чавуни, в яких практично весь вуглецьзнаходиться у зв'язаному стані - у вигляді цементиту. Таку назвучавун отримав за матово-білий колір зламу (через велику кількість цементиту). Структурною ознакою білих чавунів є евтектика - ледебурит. Опис структур білого чавуну було зроблено при розгляді формування структур доевтектичних, евтектичних та заевтектичних чавунів відповідно до метастабільної діаграми залізо-цементит.

Білі чавуни мають дуже високу твердість та крихкість і практично необробляються ні різанням, ні, тим більше, тиском. Проте, значна кількість твердого цементиту обумовлює високу зносостійкість білих чавунів, особливо в умовах абразивного зносу.

Білий чавун використовують у вигляді виливків як передільний чавун для виготовлення сталі. Методом лиття виготовляють також вироби з так званого вибіленого чавуну, що в основі має структуру сірого чавуну, а на поверхні - білого. Вибілювання є ре­зультатом швидкого охолодження поверхні виробу під час охолодження чавуну у металевій формі (кокілі). Така структура поверхневого шару (товщиною 10...30 мм) забезпечує високу стійкість проти спрацьову­вання. Вироби із вибіленою поверхнею використовують для виготовлення прокатних валків листових станів, куль для кульових млинів, коліс вагонеток тощо.

Сірі чавуни. Таку назву чавуни отримали через сірий колір зламу, що пояснюється наявністю в структурі вуглецю у вільному стані - у вигляді графіту пластинчастої форми. Сірі чавуни кристалізуються відповідно до стабільної діаграми залізо-графіт, тобто при повільному охолодженні. Вміст вуглецю у сірому чавуні становить 2,4.. .3,8 %. Чим більше вуглецю, тим більше у сірому чавуні утворюється графіту і тим нижчі механічні властивості. Тому кількість вуглецю не повинна перевищювати 3,8 %. Водночас, для забезпечення високих ливарних якостей (високої рідкоплинності) вуглецю повинно бути не менше 2,4 %. Для підсилення графітизації і гарантованого одержання вуглецю у вигляді графіту навіть у місцях, де охолодження досить швидке (біля стінок виливниці), у чавун вводять додатково кремній у кількості 1,5…3,5 %. У чавуні можуть бути наявні марганець, сірка та фосфор. Марганець та сірка перешкоджають графітизації, тобто, як кажуть, сприяють вибілюванню чавуну. Фосфор практично не впливає на графітизацію. Проте він - корисна домішка, оскільки збільшує рідкотекучість чавуну. Пояснюється це утворенням легкоплавкої евтектики, що при температурі плавлення 950 °С складається з аустеніту, збагаченого фосфором, та фосфіду заліза Fе₃Р. Після твердіння фосфіду евтектика підвищує загальну твердість і зносо­стійкість чавуну. Структура металевої основи сірих чавунів може бути феритною, ферито-перлітною та перлітною. Таким чином, структури металевої основи відповідають структурам технічного заліза, доевтектоїдних та евтектоїдних сталей, а специфічні властивості чавунів визначають кількість і морфологію графітових включень (рис. 7.12, 7.13).

Чавун порівняно зі сталлю має низькі механічні властивості, оскільки графітові включення можна вважати, у першому наближенні, порожнинами, тріщинами. У цьому розумінні чавун можна розглядати як сталь з великою кількістю порожнин та тріщин. Гострі кінці графітових включень під дією навантажень відіграють роль концентра­торів напружень (аналогічно зовнішним надрізам на поверхні сталі). У таких місцях можливе виникнення тріщин та руйнування металу.

Отже, чим більше у чавуні графіту, чим більші ці включення за розмірами і чим вони грубіші, тим більше вони ослаблюють металеву матрицю, тим гірші властивості чавуну. Найгіршими будуть властивості при утворенні графітовими включеннями замкненого каркасу.

Границя міцності при стисканні і твердість чавуну залежать переважно від структури металевої основи і ненабагато відрізняються від властивостей сталі з такою ж структурою. Пластичність сірих чавунів дуже мала, δ не перевищує 0,5 %.

Незважаючи на низькі механічні властивості, сірі чавуні мають ряд позитивних якостей, що й обумовлює їх широке використання, а саме:

· низька ціна;

· високі ливарні якості, що визначаються високою рідкотекучістю і, відповідно, можливістю отримати виливки складної форми;

· графіт полегшує обробку різанням, оскільки робить стружку ламкою і, потрапляючи між різальною кромкою і матеріалом, знижує коефіцієнт тертя і дозволяє підвищити швидкість обробки, уникаючи перегріву інструменту;

· добрі антифрикційні властивості за рахунок дії графіту як твердого мастила;

· графітні частинки гасять вібрації;

· висока корозійна стійкість, у тому числі жаростійкість;

· добре витримують стискальні навантаження;

· малочутливі до зовнішних концентраторів напружень (надрізи, виточки тощо), оскільки вони мало що додають до великої кількості графітних частинок, що відіграють таку ж роль.

Із сірих чавунів виготовляють станини верстатів, блоки циліндрів, поршневі кільця, радіатори опалення, сантехнічні та побутові вироби, елементи пічної арматури тощо.

Сірі чавуни з пластинчастим графітом маркуються літерами СЧ (сірий чавун), за якими стоїть цифра границі міцності при розтягуванні. Наприклад, СЧ25 - сірий чавун з границею міцності при розтягуванні - 250 МПа.

Ковкий чавун. Ковкий чавун отримують з білого чавуну тривалим відпалюванням при високих температурах. При цьому утворюються графітові включення у формі пластівців. Металева основа ковких чавунів може бути феритною, ферито-перлітною або перлітною (рис. 7.12, б).

Графік технологічного режиму відпалу білого чавуну для отримання ковкого чавуну зображено на рис. 7.14.

Спочатку методом лиття отримують виріб потрібної форми із структурою білого доевтектичного чавуну. Для цього потрібно забезпечити швидке охолодження всього об'єму виливка. А це можливо, якщо товщина стінки виливка не перевищує 40...50 мм. При більшому розмірі швидкість охолодження у серцевині буде невелика і може утворитися сірий чавун із пластинчастим графітом і відповід­ними низькими характеристиками, що зробить виріб непридатним до відпалу.

Після одержання якісного виливка, його нагрівають у печі до температури 950... 1000 °С, в результаті чого структура чавуну буде складалися з двох фаз - аустеніту та цементиту. Під час тривалої витримки (до 15 год) при цій температурі нестійкий цементит (і вто­ринний, і той, що входить у ледебурит) розпадається на аустеніт та вуглець, що має форму пластівців

Fe₃C→γ-Fe(C)+C

Або, узагальнюючи,

Ц→А+Г.

По закінченні цього періоду відпалу, який називають першою стадією графітизації, будемо мати аустеніт і графіт. Прискорене охолодження з цих температур до кімнатних призводить до перетво­рення аустеніту на перліт, і отримуємо перліт і графіт, тобто ковкий чавун на перлітній основі.

Для отримання чавуну на ферито-перлітній чи феритній основі треба провести другу стадію графітизації тривалістю до 30 годин. Її можна реалізувати двома способами.

За першим способом охолодження проводять до температур 740...760 °С. У цьому інтервалі температур охолодження склад аустеніту змінюється відповідно до лінії Е'S' і з нього виділяється вторинний графіт, який нашаровується на графіт, що утворився на першій стадії графітизації. Потім його дуже повільно охолоджують в інтервалі температур 738...727 °С. Евтектоїдний розпад аустеніту відбувається з утворенням графіту:

А→Ф+Г.

За другим способом можна знизити температуру трохи нижче від евтектоїдної (700...720 °С) і при такій температурі зробити тривалу ізотермічну витримку. Цементит перліту, а також, можливо, вторинний цементит (якщо він утворився) розпадеться за реакцією:

Fе₃С→ЗαFе(С)+С,

або, узагальнюючи:

Ц→Ф+Г.

Якщо друга стадія графітизації проходить повністю, то після охолодження отримуємо ковкий чавун на феритній основі. А якщо не повністю - на ферито-перлітній основі.

Маркують ковкі чавуни літерами КЧ (ковкий чавун), за якими вказують дві групи цифр. Перша показує значення границі міцності, друга - відносне подовження у відсотках. Наприклад, КЧ 35-10 - ковкий чавун з σ_в=350 МПа, δ=10 %. Відносно висока пластичність ковких чавунів, порівняно із сірими з пластинчастим графітом і дала, можливо, привід назвати ці чавуни ковкими, хоча, звичайно, їх не піддають куванню.

З ковких чавунів виготовляють картери редукторів, крюки, скоби, фланці, елементи карданних валів, ланцюги та ролики конвейєрів тощо.

Високоміцні чавуни. Високоміцні чавуни отримують модифіку­ванням, тобто перед розливанням у рідкий чавун додають у невеликій (до 1 %) кількості поверхнево-активні домішки магнію або церію, що відіграють роль модифікаторів. Магній більш дешевий матеріал, тому він використовується частіше. Проте магній у рідкому чавуні, через низьку температуру кипіння (1100 °С), випаровується і горить яскравим полум'ям, виділяючи значну кількість білого диму. Тому його за допомогою спеціальних пристроїв вводять у розлив у вигляді лігатур магнію з феросиліцієм, з міддю або нікелем.

Під дією магнію графіт у процесі кристалізації набуває не пластинчастої, а сферичної, кулястої форми. Такі включення кулястого графіту є значно менш активними концентраторами напружень, ніж пластівчастий графіт у ковких чавунах і тим більше, ніж графіт пластинчастої форми у сірих чавунах. Тому такий чавун витримує більші зовнішні навантаження без руйнування і називається високо­міцним.

Структура металевої основи, як і в інших чавунах з графітом, може бути феритною, ферито-перлітною та перлітною (рис. 7.15).

Високоміцні чавуни у багатьох виробах та конструкціях ефективно замінюють сталь. З них виготовляють колінчасті вали двигунів, поршневі кільця, втулки, зубчасті колеса, прокатні валки, які працюють у важких умовах - під дією змінних напружень та ударних навантажень.

За ДСТУ 3925-98 високоміцні чавуни маркуються літерами ВЧ (високоміцний чавун) і двома групами цифр: перша - границя міцності при розтягуванні, друга - відносне подовження. Наприклад, ВЧ 800-2 - високоміцний чавун з σ_в=800 МПа, δ=2 %.

Чавун з вермикулярним графітом ( ЧВГ). Це "наймолодший" з усіх видів чавуну (створений 1970 р.). Поєднує у собі високі ливарні, механічні та теплофізичні властивості, отже, придатний для відливання деталей складної конфігурації, тонкостінних, що витримують значні т еплові та силові навантаження.

Кожна частинка вермикулярного графіту, як і частинка кулястого графіту, росте з окремого центру кристалізації. При цьому вона також оточена аустенітом, але не суцільно: кінчики залишаються у контакті з рідиною, ростуть швидше за аустеніт і перетворюються на округлі, червоподібні (від лат. уегтісиїа - черв'як) відростки. Завдяки цьому ефект надрізу зменшується порівняно з пластинчастим графітом і, отже, забезпечується вища міцність. Проте, більша розгалуженість і менші відстані, ніж у кулястого графіту, забезпечують меншу схильність до вибілювання і усадочних дефектів, більшу густину, вищі тепло й електропровідність.

Механічні властивості ЧВГ менше залежать від вуглецевого еквіваленту, отже, можна більш вільно варіювати хімічний склад і швидкість охолодження, що особливо важливо для різностінних виливків.

Переваги ЧВГ над чавунами з пластинчастим графітом:

· вища статична міцність σ_в, границя витривалості σ_-1, відносні подовження δ та звуження ᴪ, ударна в'язкість КСV - без використання дорогих легуючих елементів;

· краща опірність високотемпературному окисленню та росту;

· менша чутливість міцності до товщини стінок.

Переваги над чавунами з кулястим графітом:

· менший термічний коефіцієнт розширення а;

· вища теплопровідність А;

· кращі демгіфувальні властивості;

· більша довговічність щодо термічної утоми;

· кращі ливарні властивості, що дозволяє виготовляти вироби склад­ної форми.

Відповідно до ДСТУ 3926-99 марки чавунів з вермикулярним гра­фітом позначаються так: спочатку ідуть літери ЧВГ (чавун, вермикулярний графіт), а далі - цифрове позначення мінімального значення тимчасового опору розриву під час розтягнення у мегапаскалях та через дефіс - мінімальне значення відносного подовження у відсотках. Наприклад, ЧВГ 400-4: σ_в=400 МПа, δ=4 %. Цей стандарт поширю­ється на чавун для виливків, що має у структурі графіт вермикулярної (червоподібної) форми з включенням до 40 % кулястого та 10 % плас­тинчастого графіту.

Навчальне питання 2. Виробництво чавунів.

Для виплавлення чавуну в доменних печах використовують залізні, марганцеві і комплексні руди, паливо і флюси.

Руди. У залізних рудах залізо перебуває у вигляді безводного оксиду Fе₂О₃ (червоний залізняк, в якому міститься до 65% заліза), водних оксидів Fе₂0₈ • ЗН₂O (бурий залізняк, що містить до 60% заліза), магнітного оксиду Fe₃O₄ (магнітний залізняк, який містить 50—70% заліза) або у вигляді вуглезалізної солі FеСO₃ (шпатовий залізняк, в якому заліза ЗО—45%). У руді є також пуста порода, основні складові якої — глинозем, кремнезем та ін. Залізні руди містять і деяку кількість шкідли­вих домішок — сірчисті, фосфористі, миш’яковисті сполуки.

Марганцеві руди складаються з оксидів марганцю і пустої породи. Вміст марганцю в них досягає 57%. Застосо­вують ці руди для підвищення вмісту марганцю в чавунах, що виплавляються, а також для вироблення спеціальних чавунів.

Комплексні руди, крім заліза, містять у собі й інші метали (хром, нікель, ванадій), які відновлюються в доменному плавленні і поліпшують властивості чавуну.

Паливо в доменній печі виконує дві важливі функції: при згорянні виділяє багато тепла; вуглець палива безпосередньо бере участь в реакціях відновлення руди.

В наш час у доменному виробництві близько 98% чавуну ви­плавляють на кам’яновугільному коксі, а решту — на деревно­му вугіллі. Деревне вугілля застосовується тільки при потребі виплавити чистий від сірки чавун для виготовлення високоякіс­ної сталі.

Флюси в доменному виробництві застосовують для сплав­ляння в шлак пустої породи руди, золи палива і видаляння їх з доменної печі. Як флюси використовують звичайний вапняк СаСОз і доломітизований вапняк СаСO₃ • МgСO₃. З такими складовими пустої породи, як кремнезем і глинозем, а також з зо­лою палива вони утворюють легкоплавкі хімічні сполуки.

Підготовка сировинних матеріалів до плавки. Виробниц­тво чавуну потребує певної підготовки сировинних матеріалів як за якістю, так і за величиною їх кусків, розміри яких за­лежно від фізико-хімічних властивостей матеріалів мають бути 30—80 мм.

Найпростішою є підготовка коксу, від якого лише відсіваєть­ся дрібняк. Флюси подрібнюються в щокових або валкових дро­барках і сортуються за величиною кусків на спеціальних гро­хотах.

Підготовка залізних руд полягає в їх подрібненні, сортуванні за розміром кусків на грохотах, усередненні і агломерації. Бідні руди спочатку збагачують, а потім окусковують методом спі­кання.

Усереднення руд є операцією, за допомогою якої заліз­на руда, що надходить у піч, вирівнюється за якістю і складом.

Збагачення залізних руд здійснюється зменшенням вмі­сту в них пустої породи. В результаті збагачення дістають кон­центрати —- продукти з підвищеним вмістом заліза.

Агломерація являє собою процес окусковування рудного дрібняку і концентратів за допомогою спікання їх у великі пори­сті куски, що називаються агломератом. Спікання руд провадять різними способами. Найбільш поширене спікання рудного дріб­няку на машинах безперервної дії. Цим способом рудний дрібняк і концентрати змішують з пиловидним паливом, зволожують і по­дають на конвейерну стрічку, що складається з коробок з грат­частим дном. Під час руху конвейерної стрічки суміш у коробках запалюється газовим пальником. Щоб підтримати горіння, крізь запалену суміш просмоктується повітря. Паливо, що є в суміші, при згорянні дає температуру до 1300—1500° С. Внаслідок цього руда спікається і утворюється міцний пористий агломерат. При спіканні в агломерат вводять і флюси, які застосовуються при доменному плавленні.

Доменний процес. Рух сировинних матеріалів і газів у доменній печі. У до­менній печі відбувається зустрічний рух двох потоків: згори до­низу— потік сировинних матеріалів (шихти) і знизу вгору — потік газів, які утворюються в результаті згоряння палива. Гарячі гази, проходячи навколо сировинних матеріалів, нагрівають їх і відновлюють залізо та деякі інші елементи з їх сполук, а потім відводяться через колошник. Відновлене залізо навуглецьовується, плавиться і перетворюється на чавун, в якому розчиняються інші відновлені елементи: кремній, марганець і фос­фор. Частково в чавуні розчиняються і сірчисті сполуки. Невідновлені оксиди пустої породи руди, золи палива і флюсу роз­плавляються і утворюють шлак.

Відновлення заліза з руди. Завдяки кисню повітря, який вдувається крізь фурми доменної печі, відбувається спалювання вуглецю палива за реакцією

С + O₂ = CO₂ + Q¹

Температура в горні доменної печі в зоні фурм досягає 1800°.С, а в міру наближення до колошника поступово знижуєть­ся до 150—200°С (температура відхідних газів). Під час руху димових газів угору вуглекислий газ СО₂ натрапляє на вільний вуглець розжареного палива і при температурі 1000° С утворює окис вуглецю за реакцією

СО₂ + С = 2СО — Q

Відновлення заліза з руди відбувається від дії на неї окису вуглецю (непряме відновлення) і частково водню, що утворюєть­ся від розкладання вологи дуття. Окис вуглецю є сильним від­новником і тому, натрапляючи на оксиди заліза, ще у верхніх горизонтах печі, де температура невисока, починає відновлювати їх. З підвищенням температури, в нижчих зонах печі, відновні реакції посилюються І відбуваються в такій послідовності:

3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃0₄ + СО₂ + Q;

Fe₃О₄ + СО = 3FeO + СО₂ — Q;

FeO + СО = Fe + СO₂ + Q.

Вуглекислота, що утворилася в результаті непрямого відновлен­ня, виноситься з колошниковим газом.

Пряме відновлення заліза з руди відбувається за допомогою твердого вуглецю і проходить особливо активно в більш низьких і гарячих зонах доменної печі (при температурі 950—1000° С). Передусім за реакцією:

2СО → СО₂ + С + Q

що проходить при низьких і помірних температурах, утворюється твердий вуглець. У вигляді сажі він осідає в порах і тріщинах руди або агломерату, а при температурі, вищій за 950°С (при опусканні сировинних матеріалів у нижню зону печі), відновлює залізо за реакцією

FeO+C = Fe+CO —Q.

Відновлення кремнію. Кремній міститься в пустій породі руди у вигляді кремнезему. Відновлюється кремній за допомо­гою твердого вуглецю при температурі 1450° С за реакцією

SiO₂ + 2C=Si + 2CO — Q.

Отже, при відновленні кремнію поглинається тепло.

Відновлення марганцю з його вищих оксидів до закису від­бувається під дією окису вуглецю при помірних температурах (500—900° С) за реакціями

2MnO₃ + CO = Mn₂О₃ + CO₂ + Q;

3Mn₂О₃ + CO = 2Mn₃О₄ + CO₂ + Q;

Mn₃O₄ + CO = 3MnO + CO₂ + Q.

Відновлення марганцю з закису проходить за рахунок твер­дого вуглецю при високих температурах (таких, що «переви­щують 1100° С) за реакцією

MnO + C =Mn +CO—Q.

Відновлення фосфору. Фосфор, що надходить у плавку разом з шихтовими матеріалами, є шкідливою домішкою. При високих температурах (близько 1500° С) фосфорно-кальцієва сіль розпадається за реакцією

(СаО)₃ • Р₂О₃ + 3SіO₂ + 5С = ЗСаО • SiO₂ + 5СО + 2Р — Q.

Відновлений фосфор майже весь переходить у чавун і тільки незначна його частина — в шлак. Вміст фосфору в переробних чавунах допускається такий: до 0,07%—у бесемерівських (див. далі); 0,15—0,30%—у мартенівських і 1,6—2,0% — у томасів­ських.

Видалення сірки. Сірка надходить у плавку також з ших­товими матеріалами. Частина сірки окислюється при згорянні палива в зоні фурм. У верхній частині доменної печі сірка пере­ходить у газ SO₂. Залізо з FeS відновлюється за допомогою вапна і твердого вуглецю за реакцією

FeS+ СаО + С =Fe+CO + CaS — Q.

Таким чином, при достатній кількості вапна і високій темпе­ратурі в горні більша частина сірки, що є шкідливою домішкою, видаляється з металу і переводиться в шлак. Деяка частина її переходить у чавун у вигляді сірчистого заліза. Вміст сірки в ча­вунах допускається до 0,03—0,05 %.

У доменній печі можуть відновлюватися також хром, титан, кобальт, ванадій та інші елементи в разі наявності їх у шихті.

Навуглецьовування заліза і утворення чавуну. Відновлене В доменній печі залізо являє собою твердий і-пористий про­дукт — так зване губчасте залізо. Внаслідок взаємодії з окисом вуглецю губчасте залізо навуглецьовується і утворюється кар­бід заліза (цементит):

3Fe + 2СО = Fe₃C + СО₂

Утворення цементиту можливе також внаслідок взаємодії губчастого заліза з твердим вуглецем у зоні високих темпе­ратур: .

3Fe + C = Fe₃C

Вуглець, потрапляючи в метал, знижує температуру його плавлення. Тому навуглецьоване залізо при температурі 1150— 1200° С переходить у рідкий стан І краплинами стікає до горна Печі. На шляху переміщення краплинок заліза відбувається до­даткове насичення його вуглецем і розчинення в ньому віднов­лених марганцю, кремнію, фосфору та інших елементів. У резуль­таті на поді горна доменної печі збирається рідкий чавун.

Шлакоутворення в доменній печівідбувається в дві стадії. Первинний шлак (найбільш легкоплавкий) утворюється при температурі близько 1200° С і являє собою евтектику з глинозему, кремнезему і вапна. У другій стадії процесу шлакоутворення пер­винний шлак, стікаючи до горна доменної печі і попутно підігрі­ваючись потоком висхідних гарячих газів, поступово змінює свій Хімічний склад до заданого внаслідок розчинення в ньому золи коксу, флюсів і решток пустої породи залізної руди.

Вибір відповідного процесу шлакоутворенню і хімічного скла­ду шлаку істотно впливає на якість виплавдюваного чавуну. Склад шлаку вибирають залежно від складу останнього.

Інформаційні джерела:

1. Технологія конструкційних матеріалів./За ред. А.М. Сологуба. - К.: Вища школа, 1993 –

300 с.

2. Большаков В.І., Береза О.Ю., Харченко В.І. Прикладне матеріалознавство: Підручник. Дніпропетровськ: РВА „Дніпро VAL”.2000 – 290 с.

3. Технология конструкционних материалов. /Г.А. Прейс, М.А. Сологуб, И.А. Рожнецкий/ - К.: Вища школа 1991 – 391 с.

4. Дальский А.М. и др. Технология конструкционных материалов, М.: Машиностроение. 1990 - 351 с.