Главная | Обратная связь

Змішана кристалізація

Практика виробництва чавунних виливків показує, що в реальних умовах кристалізації часто виходять чавуни, у структурі яких мається і графить, і цементит. Кристалізація чавуна, що відбуває з утворенням графіту і цементиту, називається змішаною кристалізацією.

Для пояснення формування структур, у яких мається і графить, і цементит, необхідно звернутися до діаграми стану з подвійними лініями, показаної на мал. 126, і прийняти, що перетворення в сплавах у залежності від умов можуть здійснюватися як відповідно до діаграми стану залізо-графить, так і відповідно до діаграми стану залізо — цементит.

Особливістю кристалізації графіту є те, що графить у процесі утворення з рідкого чи твердого розчину цілком відокремлюється як неметалічна фаза, тобто втрачає зв'язок з металевою основою. Для утворення графітного включення потрібно наявність вільного простору (порожнини). Процес кристалізації графіту складається з відводу (самодифузії) атомів заліза від місць, у яких кристалізується графіт. Простір, що звільнилася, (порожнина) одночасно заповнюється графітом у результаті дифузії до цих місць атомів вуглецю. Дифузійні процеси, необхідні для кристалізації графіту, здійснюються повною мірою в умовах досить повільного охолодження.

Кристалізація цементиту з рідкого чи твердого розчину не вимагає повного відводу атомів заліза від місць, де зароджуються кристалики цементиту (цементит містить 6,67 % С, а графить 100 % С). Тому утворення цементиту полегшується і може відбуватися в умовах прискореного охолодження. Отже, незважаючи на те, що графить є цілком рівноважною фазою,

а цементит — менш рівноважною фазою, утворення однієї чи іншої фази буде визначатися повнотою протікання дифузійних процесів, що, у свою чергу, залежить від швидкості охолодження сплаву. Чим нижче температура, тим повільніше повинне бути охолодження для того, щоб утворився графіт, тому що зі зниженням температури дифузійні процеси сповільнюються.

 

Пояснимо сказане схемою, представленої на мал. 140.

Для того щоб кристалізація здійснювалася відповідно до діаграми стану залізо — графить, сплав повинний прохолоджуватися так, як показано лінією . Чим нижче температура, тим менше повинна бути швидкість охолодження. В усіх випадках, коли охолодження відбувається швидше, ніж потрібно для утворення графіту (наприклад, зі швидкістю v₁) , кристалізація сплаву протікає з утворенням цементиту, тобто відповідно до діаграми залізо — цементит. Якщо сплав прохолоджується досить повільно, наприклад, зі швидкістю v₂, то кристалізація протікає відповідно до діаграми стану залізо — графить з утворенням графіту.

У випадках охолодження сплаву зі швидкостями v₃, v₄, v₅, v₆ (лінії, що визначають ці швидкості, перетинають лінію NN), при відповідних температурах t₃, t₄, t₅, t₆ характер кристалізації змінюється — замість графіту при більш низькій температурі виділяється цементит.

Ніж раніш і при більш високій температурі здійснюється зміна механізму кристалізації відповідно до діаграми стану залізо — графить до кристалізації відповідно до діаграми стану залізо в— цементит, тим більше буде в чавуні зв'язаного вуглецю (цементиту) і менше графіту.

У результаті змішаної кристалізації окремі частини однієї і того ж виливка можуть мати різну.

 

Структура чавунів

Відповідно до реальних умов кристалізації в структурі чавунів можуть бути різні складові в залежності від того, яка частина вуглецю виявляється в структурно вільному стані. Це ж визначає назву чавунів: білий, половинчатий, сірий.

Білий чавун — це той, у якому весь вуглець знаходиться в зв'язаному стані. Білі чавуни за структурою підрозділяють на доэвтектические, що мають структуру П + Ц₁₁+ Л, эвтектические зі структурою Л, заэвтек-тические Ц₁ + Л. Структура білих чавунів була показана на мал. 137. Білий чавун для виготовлення деталей машин не використовують, оскільки він має високу твердість (НВ 450—550), тендітний і практично не піддається обробці різальним інструментом. Висока твердість і крихкість білого чавуна обумовлені наявністю в ньому ледебуриту.

Половинчатий чавун той, у якому одна частина вуглецю знаходиться в зв'язаному стані (Сс"яз > 0,8 %), а інша у вільному. У структурі половинчатих чавунів поряд із вторинним чи цементитом цементитом ледебуриту мається графіт. Структура половинчатого чавуна може бути П + Ц₁₁ + Г чи П + Л + Г (мал. -141; альбом, с. 9).

Злам половинчатого чавуна частково білий (у місцях залягання ледебуриту), частково сірий (у місцях, де розташовані включення графіту).

Половинчаті чавуни, так само як і білі, для виготовлення деталей машин не використовуються.

Сірий чавун той, у якому велика частина чи вуглецю майже весь вуглець знаходиться у вільному стані, а в зв'язаному стані може бути до 0,8 % С. У структурі сірого чавуна мається графіт, кількість, форма і розподіл якого можуть змінюватися в широких межах. Може міститися також цементит, але тільки не в структурно вільному стані, а в складі эвтектоида, тобто перліту ( чи ледебуриту цементиту вторинного в структурі сірогочавуна немає).

Назва сірий чавун одержала по кольорі зламу — злам сірого кольору.

У мікроструктурі такого чавуна варто розрізняти металеву основу і включення графіту, що цю основу пронизують.

Графить у сірому чавуні може бути різним за формою включень: пластинчастим, пластівчастим і кулястої (мал. 142; альбом, с. 12). У звичайному сірому чавуні графить утвориться в пластинчастій формі. Чавун, у якому графить має форму хлопьев, називають ковким чавуном До Чавун з кулястою формою графіту називають високоміцним чавуном.

Металева основа чавуна може складатися з перліту (якщо кількість зв'язаного вуглецю в чавуні складає 0,8 %), чи з феррита + перліту (якщо кількість зв'язаного вуглецю менше 0,8 %), чи тільки з феррита (Ссвяз < 0,03 %). У залежності від структури металевої основи розрізняють: перлітний чавун, що має структуру П + Г, (143, м; альбом, с. 13) феритноно-перлитний чавун, структура якого складається з Ф + П +Г; феритный чавун зі структурою Ф +Г (143, а; альбом, с. 13).

Сірий, ковкий і високоміцний чавуни є широко розповсюдженими і дешевими ливарними конструкційними матеріалами. Властивості таких чавунів залежать як від структури металевої основи, так і від характеру графітних включень (форми, розмірів, кількості цих включень).

На прочностные властивості істотно впливає структура металевої основи.

Чавун з перлітною структурою має найбільшу твердість, міцністю і зносостійкістю. Наявність феррита в структурі металевої основи викликає зниження прочностных характеристик і зносостійкості. Найменшу міцність має ферритный чавун. Твердість чавуна з різною структурою металевої основи має наступні значення:

Чавун Ферритный Феррнтно- перлітний Перлітний

Твердість, НВ. . 150 200 250

Пластичність чавунів мало залежить від структури металевої основи.

Форма графітних включень мало впливає на твердість чавуна, однак на міцність і пластичні властивості вона значно впливає. Найбільш сприятливою формою графіту є куляста, а пластинчастий графіт знижує міцність і пластичність чавуна.

Графить володіє низькими механічними властивостями і включення графіту діють так, начебто б у металевій основі маються порожнечі, внутрішні надрізи, що роз'єднують і послабляють цю основу.

Включення графіту пластинчастої форми діють як гострі внутрішні чи надрізи тріщини, що послабляють металеву основу і зменшують міцність і пластичність чавуна. Ніж крупніше пластинки графіту і менш рівномірно розподілені по обсязі, тим менше міцність чавуна при розтяганні. При стиску властивості чавуна з пластинчастими включеннями графіту залишаються досить високими (руйнівне навантаження при стиску в три — п'ять разів більше, ніж при розтяганні), близькими до властивостей стали з такими ж складом і структурою, що і металева основа чавуна. Це свідчить про те, що включення графіту практично не впливають на міцність чавуна при стиску. Вони також менш значно, чим при розтяганні, знижують міцність чавуна при згинаючому дії навантаження.

Чим компактніше форма включень графіту і чим менше їхня кількість, тим у меншому ступені вони послабляють металеву основу, тим вище міцність і пластичність чавуна при одній і тій же структурі металевої основи. Так, чавун з кулястою формою включень графіту має значно більш високу міцність при розтяганні і вигині, чим чавун із пластинчастою формою графітних включень (звідси і назва чавуна — високоміцний).

Пластичність чавуна дуже помітно залежить від форми включень графіту:

Графить Пластинчастий Пластівчастий Кулястий
б. % . . . 0,2—0,5 5—10 10-15

 

Крім зниження міцності і пластичності включення графіту помітно знижують також модуль пружності чавуна, значення якого виявляються значно нижче, ніж у сталі.

Слід зазначити, що у визначених випадках наявність графіту в структурі корисно і дає чавуну переваги перед сталлю: включення графіту полегшують оброблюваність чавуна різанням (стружка робиться ламанням); завдяки дії графіту, що змазує, чавун володіє гарними антифрикційними властивостями, тобто добре працює на тертя; чавун із включеннями графіту має здатність швидко гасити вібрації, коливання; графить робить чавун практично нечуттєвим до поверхневих надрізів і інших додаткових дефектів на поверхні.

Слід також зазначити гарні ливарні властивості чавуна, що дають йому перевага в порівнянні зі сталлю.