Вплив домішок і швидкості охолодження на структуру та властивості чавунів

Постійні домішки,(кремній, марганець, сірка та фосфор), а також швидкість охолодження істотно впливають на процес графітизації.

Кремнійнайбільше посилює графітизацію чавуну і під час первинної кристалізації, і під час розкладання цементиту. Під­вищуючи вміст кремнію, можна збільшувати кількість графіту та зменшувати кількість цементиту, наближаючись до створен­ня чавуну з феритною металевою основою. Зменшуючи частку кремнію, можна сформувати структуру чавуну з перлітною ос­новою.

Марганецьпротидіє графітизації, сприяючи утворенню це­ментиту. Водночас він дещо поліпшує механічні властивості відливків.

Сірка— шкідлива домішка, що погіршує механічні й ливарні властивості чавуну. Вона сильніше від марганцю протидіє графі­тизації і сприяє виділенню цементиту. Крім цього, сірка знижує рідкоплинність чавуну, збільшує усадку, підвищує схильність до утворення газових бульбашок і тріщин. З цієї причини вміст сірки в чавунах дуже обмежують.

Фосфорпрактично не впливає на графітизацію. Його викорис­товують у чавунах для підвищення рідкоплинності, твердості та зносостійкості. Чавуни з високою концентрацією фосфору широко використовують для художнього лиття.

З-поміж легувальнихелемен­тів найпомітніший вплив на графітизацію мають мідь, нікель і хром. Мідьі нікельінтенсифікують графітизацію, а хромїї по­слаблює.

Дрібні тверді частинки,зрівноважені в рідкому розчині, сприяють виділенню графіту, будучи центрами графітизації.

Збільшення швидкості охолодження гальмує виділення графіту і сприяє утворенню це­ментиту.

Крім швидкості охолодження, сильно впливають на графі­тизацію чавуну вуглець і кремній. Зі збільшенням їх сумарної частки графітизація посилюється.

Таким чином, регулюючи сумарну частку складових металу та швидкість охолодження, можна досягти бажаної струк­тури металевої основи сірого чавуну.

Сірі чавуни (з пластинчастим графітом)

В структурі цих чавунів більша частка вуглецю перебуває у вигля­ді графіту пластинчастої форми в площині шліфа. Решта вугле­цю разом із залізом утворює структуру металевої основи (фери­тну, феритно-перлітну або перлітну).

На формування структури чавуну з пластинчастим графітом впливають такі фактори, як хімічний склад, швидкість охолодження, а та­кож наявність у рідкому розчині дрібних твердих частинок. Вуглець (2,9...3,7 %) і кремній (1,2...2,6 %) сприяють виділен­ню графіту, а марганець (0,5...1,1 %) і сірка (0,12...0,15 %) — утворенню цементиту. Змінюючи сумарну масову частку вугле­цю та кремнію з одного боку і зменшуючи сумарну масову част­ку марганцю та сірки з другого, можна регулювати співвідно­шення між вільним та хімічно зв'язаним вуглецем.

Чавуни з пластинчастим графітом мають добрі ливарні влас­тивості, легко обробляються різанням, здатні гасити вібрації, що виникають в конструкціях, є найдешевшими і найпоширені­шими серед ливарних сплавів. Водночас чавуни з пластинчастим графітом відзначаються невисокою міцністю (σ_в = 100...350 МПа) і пластичністю через особливості форми графітових вкраплень з гострими краями. Такі вкраплення можна розгля­дати як сильні внутрішні концентратори напружень або навіть як мікротріщини.

Умовне позначення маркимає літери СЧ — сірий чавун й цифри — значення мінімальної межі міцності матеріалу на розрив σ_в в 10^-1 МПа.

При виборі марки чаву­ну для конкретних умов роботи беруть до уваги як механічні так і технологічні властивості. Феритні сірі чавуни СЧ10, СЧ15, СЧ18 призначені для мало- і середньо-навантажених деталей: кри­шок, фланців, маховиків, корпусів редукторів і підшипників, су­портів, гальмівних барабанів, дисків зчеплення тощо. Ферито-перлітні сірі чавуни СЧ20, СЧ21, СЧ25 використовують для де­талей, які працюють при підвищених статичних і динамічних навантаженнях: блоків циліндрів, картерів двигунів, поршнів, станин верстатів, зубчастих коліс тощо. Перлітні сірі чавуни СЧ30, СЧ35, СЧ40, СЧ45 мають найвищі механічні властивості (завдяки дрібним відокремленим графітним вкрап­ленням) і використовують для деталей, які працюють при великих навантаженнях або у важких умовах стирання: зубчасті колеса, гільзи блоків циліндрів, шпинделі, розподільчі вали і т.п. Ці чавуни мають найвищу герметичність, тому з них виготовляють також корпуси насосів і компресорів, арматуру гальмівної пневматики та гідроприводів. Для деталей, які працюють при підвищених температурах, сірі чавуни легу­ють. Жаростійкості сприяють домішки хрому та алюмінію, жа­роміцності — хрому, нікелю й молібдену. 3 ме­тою підвищення зносостійкості гільз циліндрів, розподільчих валів та інших деталей їх робочі поверхні піддають зміцнювальній термічній обробці, а також насичують азотом.

Ковкі чавуни

Ковкиминазивають чавуни з пластівчастою формою графі­ту, отримані внаслідок спеціального довготривалого відпалу відливків з білого чавуну. Щоб отримати ковкий чавун, необхідно виготовити відливки білого чавуну, потім їх відпалити з метою графітизації. Утворений внаслідок відпалу графіт мас компакт­ну майже рівноосьову, але не сферичну форму. Назва ковкий чавун умовна, тому що відливки завжди виготовляють литтям, а не куванням. Графіт пластівчастої форми є слабшим внутрішнім концентратором напружень порівняно з графітом пластинчастим, що міститься в сірому чавуні, внаслідок чого ковкі чавуни міцніші і пластичніші, ніж сірі. Залежно від ре­жиму відпалу металева основа ковкого чавуну може бути ферит­ною, перлітною і рідше — феритно-перлітною.

Щоб не допустити навіть часткової графітизації білого чаву­ну під час його охолодження в ливарній формі, треба вибирати товщину стінок відливка в межах від 3 до 50 мм, а хімічний склад рідкого розчину підтримувати в доволі вузьких межах: 2,4...2,9 % С; 1,0...1,6 % Sі; 0,3...1,0 % Мn; до 0,2 % Р і до 0,18 % S. Тобто чавун має порівняно низький вміст вуглецю, кремнію та марганцю. Після відпалу на графітизацію чавуни з такою низькою часткою вуглецю матимуть у структу­рі небагато компактних графітових вкраплень, що сприятиме поліпшенню їхніх механічних властивостей. Тому, що вища міцність ковкого чавуну потрібна, то менше вуглецю повинно бути у вихідному білому чавуні.

Відпал білого чавуну виконують в одну або дві стадії залеж­но від структури, яку необхідно сформувати, але графітизація доволі тривала та енергомістка, що стримує широке застосуван­ня ковких чавунів у машинобудуванні.

Залежно від механічних властивостей ковкі чавуни відповід­но маркують. Маркиковких чавунів позначають літерами КЧ і числами, перше з яких відповідає межі міц­ності на розрив σ_в в 10^-1 МПа, а друге — відносному видовжен­ню — δ у %. Феритні чавуни (КЧ 30-6...КЧ 37-2) характеризу­ються високою пластичністю (δ = 6...12 %), а перлітні (КЧ 45-7...КЧ 80-1,5) — підвищеною міцністю й твердістю.

З ковких чавунів виготовляють відливки, що працюють під ударними або знакозмінними циклічними навантаженнями (кор­пуси редукторів, корпуси задніх мостів вантажних автомобілів, вилки карданних валів, муфти тощо).

Високоміцні чавуни (з кулястим графітом)

Чавун з кулястим графітоммає в металевій основі графіт кулястої форми. Структура металевої основи — ферит, ферито-перліт або перліт. Чавун з феритною основою найменш міцний, але високопластичний, а чавун з перлітною основою — міцний, але малопластичний.

Щоб отримати високоміцний чавун, перегрівають рідкий ме­тал та додають до нього модифікатори (магній, цезій, кальцій), які сприяють сфероїзації графіту під час кристалізації. Куляс­тий графіт порівняно з пластинчастим є слабшим концентратором напружень. Високоміцні чавуни мають добрі ливар­ні показники, вони перевершують чавуни з пластинчастим гра­фітом за механічними властивостями (σ_в = 350...1000 МПа, δ = 2...22 %)і успішно конкурують з ковкими чавунами та сталями. У промислово розвинутих країнах частка чавунів з кулястим графітом серед ливарних сплавів становить 20...30 %. Завдяки високій міцності й пластичності високоміцних чавунів з них виго­товляють відповідальні деталі: колінчасті та розподільчі вали, поршні та поршневі кільця, шестерні та зірчатки, валки прокатуваль­них станів, шаботи ковальських молотів, корпуси парових турбін, супорти, різцетримачі і планшайби металорізальних верстатів.Маркичавунів з кулястим графітом позначають літерами ВЧ і числами, перше з яких відповідає межі міц­ності на розрив σ_в в 10^-1 МПа, а друге — відносному видовжен­ню — δ у %. (ВЧ 35-22, ВЧ 60-3, ВЧ 100-2).

Тема 2.5 Основи термічної і хіміко-термічної обробки металів.