Вплив хімічного складу на структуру і властивості чавунів

Головна домішка чавуну – вуглець. Він може бути у зв’язаному вигляді (твердий розчин, цементит Fe₃C) і вільному (графіт).

Від вмісту вуглецю залежать ливарні і механічні властивості чавуну. Чим вище вміст вуглецю, тим більше утворюється графіту, тим нижче його механічні властивості, але краще ливарні властивості. Механічні властивості залежать не тільки від кількості графіту, але й від розмірів та форми графітових включень. Графіт в чавунах може мати пластинчасту форму (СЧ), кулясту форму (ВЧ), пластівчасту форму (КЧ). Менш за все ослабляє металічну основу кулястий графіт, більш за все – пластинчастий. Чим менше графітних включень, чим вони дрібніше та більш ізольовані один від одного, тим вище міцність чавуну (рис.37).

Рисунок 37. Мікроструктура сірого чавуну: а – з крупними неізольованими включеннями графіту, б – з дрібними ізольованими включеннями графіту.

В машинобудівних відливках зазвичай вміст вуглецю складає 3-3,6%. При більшому вмісті вуглецю знижуються ливарні властивості і підвищується твердість.

Кремній зменшує розчинність вуглецю у розчинах, сприяє утворенню графіту, тому при збільшенні вмісту кремнію механічні властивості знижуються, а ливарні властивості покращуються. Кремній підвищує кількість графіту в структурі чавуну. Кожний % кремнію знижує вміст вуглецю в евтектиці на 0,3%. При вмісті кремнію більше 3% він перешкоджає графітизації і знижує пластичність. Тому в сірих чавунах вміст кремнію складає 1,0-2,6%.

Сумою вуглецю і кремнію виражають ступінь евтектичності чавуну:

,

де С – вміст вуглецю в чавуні,

Si – вміст кремнію.

При S_е = 1 – чавун евтектичний,

S_е < 1 – чавун доевтектичний,

S_е > 1 – чавун заевтектичний.

Використовують також вуглецевий еквівалент:

, %.

Чавуни вважають евтектичними, коли С_е = 4,2-4,3%.

Приклад. Визначити, який чавун має кращі ливарні властивості:

1-й чавун – С = 3,3%, Si = 1,6%;

2-й чавун – С = 3,4%, Si = 1,4%.

Визначимо ступінь евтектичності кожного чавуну:

1)

2)

Оскільки 0,88 ближче до 1, то кращі ливарні властивості має другий чавун.

Змінюючи вміст в чавуні вуглецю і кремнію, а також швидкість охолодження, можна отримати різну структуру металічної основи (різні марки чавуну). Чим більше кремнію при даному вмісті вуглецю, тим повніше відбувається графітизація. Чим більше вуглецю, тим менше потрібно кремнію для отримання заданої структури. Це відображає діаграма Маурера (рис.38).

Рисунок 38. Діаграма Маурера: I — білий чавун (перліт + цементит), IIа — половинчастий чавун (перліт + цементит + ферит), II — сірий перлітний чавун (перліт + + графіт), IIб — сірий перлітно-феритний чавун (перліт + ферит + графіт), III — сірий феритний чавун (ферит + графіт).

Вплив товщини стінки відливки (швидкості охолодження) і сумарного вмісту вуглецю і кремнію на структуру чавуну відображає діаграма Грейнера (рис.39).

Вміст кремнію треба збільшувати у відливці невеликого перерізу або в чавуні з меншим вмістом вуглецю. У товстих перерізах вміст кремнію може бути менше.

Рисунок 39. Залежність структури чавуну від товщини стінки відливки і суми вуглецю і кремнію. Області чавунів: І – білий, ІІ – половинчастий, ІІІ – сірий перлітний, ІV – сірий ферито-перлітний, V – сірий феритний.

Марганець розчиняється у фериті, підвищуючи його міцність, нейтралізує шкідливий вплив сірки, утворюючи MnS (тугоплавку сполуку з t_пл = 1620^оС, яка переходить в шлак). Марганець гальмує процес графітизації і підвищує схильність до відбілу при вмісті його більше 1%. Погіршує ливарні властивості.

В сірих чавунах вміст марганцю складає 0,5-1,0%.

Сірка – шкідлива домішка в чавуні, оскільки вона погіршує його властивості: знижує рідкотекучість, збільшує усадку, знижує механічні властивості, сприяє утворенню гарячих тріщин – червоноламкості (через утворення легкоплавкої евтектики Fe-FeS з t_пл = 985^оС по границях зерен), гальмує графітизацію.

Для тонкостінних відливок допускається до 0,02-0,03% сірки, тобто, чим тонше відливка, тим менше повинно бути сірки, інакше буде відбіл. В товстостінних відливках вміст сірки допускається до 0,1-0,12%.

Для нейтралізації шкідливої дії сірки необхідно, щоб відношення Mn/S = 4-4,5.

Фосфор – шкідлива домішка в чавуні, оскільки підвищує крихкість чавуну при нормальній температурі, сприяє холодноламкості – утворенню крихкої фосфідної евтектики по границях зерен.

Крім цього, фосфор підвищує міцність, твердість, зносостійкість, рідкотекучість (в художніх відливках – до 1% фосфору), дуже мало впливає на графітизацію.

Вміст фосфору в сірих чавунах складає не більше 0,12-0,2%.