Главная | Обратная связь

Вплив хімічного складу і швидкості охолодження на структуру чавуна

Застосовувані на практиці чавуни крім заліза і кремнію містять інші елементи і є складними по хімічному складі сплавами. При цьому елементи, що сприяють утворенню (кристалізації) графіту, називаються г р а ф и т и з и р у ю щ и м і: Al, Si, Ti, Сu й ін. Елементи, що сприяють одержанню вуглецю в зв'язаному стані у виді з'єднань ( чицементиту карбідів), називаються антиграф і тиз пру га-щи м і: W, Мn, S, Сг і ін.

На структуру чавуна значно впливає швидкість охолодження. Тому при одному хімічному складі в деталях різної товщини утвориться неоднакова структура.

Звичайні сірі чавуни містять як основні елементи залізо, вуглець і кремній. Власне кажучи вони являють собою Fе-С-Sі сплави, у яких постійними домішками є марганець, сірка і фосфор. У невеликих кількостях у звичайних сірих чавунах можуть бути присутнім хром, нікель, і мідь, що попадають у них при виплавці з руди.

Крім звичайних застосовують леговані чавуни, у які спеціально для одержання визначених властивостей уводять легуючі елементи.

Вуглець і кремній є графитизирующнми елементами. Змінюючи зміст вуглецю і кремнію, можна одержати чавуни з різною структурою. Наочне представлення про вплив вуглецю і кремній на графітизації і структуру чавуна дають так називані структурні діаграми чавунів. Структурна діаграма, показана на мал. 144, а, характеризує структуру чавуна в залежності від змісту вуглецю і кремнію і побудована для виливків з товщиною стінок 50 мм (такі діаграми будують для якоїсь визначеної постійної товщини стінки виливка).

Поле діаграми розділене на п'ять областей. Якщо співвідношення вуглецю н кремнію таке, що сплав попадає в область I, те виходить білий доэвтектический чавун (П + Ц₁₁ + Л). Область II відповідає половинчатому чавуну (П + Г + Л). Область III відповідає сірому перлітному чавуну (Л + Г). Область IV — сірому фер-ритно-перлитному чавуну (Ф + П + Г). Область V — сірому ферритному чавуну (Ф + Г). Діаграма показує, що, змінюючи зміст вуглецю і кремнію, можна одержати чавун з різною структурою. Чим більше кремнію містить чавун (при однаковому змісті вуглецю), тим повніше в ньому протікає процес графити-зації.

 

оптимальні розміри, середню завихренность і в nai меншого ступеня роз'єднує металеву основу 1.

Особливою перевагою таких чавунів є меш шая чутливість до швидкості охолодження, поетом вдається одержати однакову перлітну структуру в « чениях виливка товщиною від 5—10 до 100 мм і навіть більше при однаковому хімічному складі чавуна.

Однак пластичність і в'язкість модифікуванні: чавунів унаслідок того, що графить у них має пластин чатую форму, залишаються низькими (відносне подовжений» 0,5—'1 94, ударна в'язкість 0,05—0,1 МДж/м²). Модифи цированные чавуни володіють підвищеної rep мети чностьк і їхній можна також використовувати для деталей, працюючі під тиском (газовим чи гідравлічної).

Після модифікування чавуна магнієм (0,03— 0,07 %) графить має кулясту форму. При цьому поряд з підвищенням міцності зростають пластичність і в'язкість чавуна (високоміцні чавуни).

 

Сірий чавун

Сірі чавуни позначають (маркірують) буквами З (сірий), Ч (чавун) і цифрами, що показують мінімальне значення тимчасового опору при розтяганні вмпа-10-1. Стандартні марки чавунів (ГОСТ 1412—85): СЧ10, СЧ15, СЧ20, СЧ25, СЧЗО, СЧ35. Допускаються також за вимогою споживача чавуни марок СЧ18, СЧ21, СЧ24.

Зразковий .хімічний склад чавунів стандартних марок: 2,9—3,7% С, 1,2—2,6% Si, 0,5—1,1% Мn, не більш 0,2—0,3 % Р і не більш 0,12—0,15 % S.

Виливка із сірих чавунів широко застосовують у машинобудуванні.

Феритный і ферритно-перлитиый чавуни марок СЧ10 і СЧ15 мають тимчасовий опір при розтяганні 100 і 150 МПа відповідно. Твердість їх складає НВ 143—229. Ці чавуни призначені для роботи

¹ Чим більше графіту в чавуні і чим крупніше, длиннее пластинки графіту, тим сильніше їхній негативний вплив па механічні властивості. Однак і дуже дрібні включення, що сильно роз'єднують металеву основу, також небажані, а для деталей, від яких потрібно висока зносостійкість, неприпустимі.

Найбільш низькі механічні властивості виходять у гом слу* чаї, коли графітні включення утворють замкнутий кістяк.

з невеликими чи середніми навантаженнями. Чавун марки СЧ10 використовують для литих деталей, що працюють при малих навантаженнях без тертя (стійки, підстави, кожухи, коробки, изложницы), а СЧ15— для деталей, що працюють при середніх навантаженнях і на знос малих питомих тисках (тонкостінні виливки в різних галузях машинобудування, труби, изложницы й ін.).

Перлітні чавуни марок СЧ20 і СЧ25 з тимчасовим опором при розтяганні 200 і 250 МПа і твердістю НВ 170—250 застосовують для деталей, що працюють при підвищених статичних і динамічних навантаженнях (блоки циліндрів, картери двигуна, поршні циліндрів, станини різних верстатів і ін.).

Перлітні чавуни марок СЧЗО і СЧ35 (ств не менш 300 і 350 МПа, НВ 180—269) мають найбільш високі механічні властивості. Їх застосовують для роботи при високих чи навантаженнях у тяжких умовах зносу (зубчасті колеса, гільзи блоків циліндрів, розподільні вали й ін.).

 

Ковкий чавун

Ковкий чавун — це чавун із пластівчастою формою графітних включень. У порівнянні з пластинчастим графітом пластівчастий графіт розташовується в металевій основі чавуна більш компактно, включення графіту не діють як гострі надрізи (що характерно для пластинчастого графіту), і тому такі включення в меншому ступені послабляють металеву основу.

Одержують ковкий чавун шляхом спеціальної термічної обробки білого доэвтектического чавуна приблизно -наступного складу: 2,5—3 % С; 0,7—1,5 % Si; 0,2—1 % Мn; до 0,2 % S, до 0,18 % Р.

Виливка з білого чавуна, що піддаються отжигу на ковкий чавун, повинні бути досить тонкостінними (перетином не більш 50 мм). Виливка більшої товщини прохолоджуються недостатньо швидко і при кристалізації в серцевині утвориться пластинчастий графіт. Такий чавун стає непридатним для переробки на ковкий чавун, тому що образующийся в процесі отжига графить (графить отжига) приєднується до наявних пластин графіту. По цій же причині білі чавуни, призначені для переробки на ковкий чавун, мають знижений зміст вуглецю і кремнію (графитизирующих елементів).

 

За структурою металевої основи, що залежить від режиму отжига, ковкі чу-гуны можуть бути ферритными і перлітними.

Відпал для одержання ферритного ковкого чавуна проводять по режиму 1, схематично показаному на мал. 146. Виливка з білого чавуна повільно (20—25 год)

нагрівають до 950—1000 °С (вище евтектоїдної, але не скільки нижче эвтектической температури). Далі слідує тривала витримка (10—15 год) при цій температурі. У процесі витримки відбувається перша стадія графнтизации — розпад цементиту эвтектического і цементиту вторинного на аустеніт і графіт:

Ц →А +Г_від. (54)

До кінця першої стадії графітизації структура чавуна буде складатися з аустеніту і включень пластівчастого графіту. При наступному повільному охолодженні (6—12 ч) до температури 720 °С (трохи нижче температури эвтектоидного перетворення) протікає проміжна стадія графітизації — розпад вторинного цементиту, що утвориться при охолодженні. Графіт, що виходить, приєднується до уже наявному і це приводить до росту графітових включень.

Після досягнення температури 720 °С (трохи нижче температури евтектоїдного перетворення) проводять другу тривалу (30 год) витримку, у процесі якої протікає друга стадія графітизації — розпад евтектоїдного цементиту: Ц_ед→ Ф+Г_отж. По завершенні другої стадії структура чавуна виходить цілком рівноважної (Ф + Г). Структура ферритного ковкого чавуна показана на мал. 147 (альбом, с. 14). Злам такого чавуна чорні-чорну-чорне-чорна-бархатистий-чорний, що зв'язано з наявністю великої кількості графіту.

Для одержання перлітного ковкого чавуна отжиг проводять порежиму2 (мал. 146). У цьому випадку після першої стадії графітизації виливка прохолоджують ла повітрі. У таких умовах охолодження графитизацин эвтектоидного цементиту не відбувається, і чавун здобуває структуру, що складається з перліту і графіту від-

жига. Злам такого чавуна виходить світлим із-за великої кількості перліту в металевій основі.

Розроблено методи прискореного отжига білого чу) гуна на ковкий чавун. Так, перед отжигом виливків з білого чавуна застосовують попереднє загартування oi 850—900 °С. Це забезпечує здрібнювання структури і сприяє утворенню численних центрів графітизації — прискорюються стадії I і II графітизації і процес графітизації скорочується до 10—15 ч. Підвищують температуру нагрівання білого чавуна перед розливанням. Крім того, чавуни легують незначними добавками алюмінію (0,015—0,20 %), бора й інших елементів; проводять східчасте нагрівання при отжиге з витримкою при 350—400 ⁰С; скорочують час нагрівання й охолодження виливків при отжиге за рахунок нагрівання виливків у нейтральному чи захисному середовищі. У цьому випадку тривалість отжига скорочується до 24—60 год.

Маркують ковкі чавуни буквами КЧ (К — ковкий, Ч — чавун) і цифрами, що позначають мінімальні значення тимчасового опору при розтяганні, МПа-10^-1, і відносного подовження. Наприклад, чавун марки КЧ35-10 — це ковкий чавун з тимчасовим опором при розтяганні не менш 350 МПа і відносним подовженням не менш 10 %. Механічні властивості (ГОСТ 1215—59) ковких чавунів стандартних марок приведені в табл. 6.

Приведені дані показують, що ковкі чавуни мають гарне сполучення міцності і пластичності. При цьому ферритные ковкі чавуни мають більш високу пластичність, а перлітні — більш високу міцність і твердість, забезпечують кращу зносостійкість.

 

Високоміцний чавун

У високоміцному чавуні графить має кулясту форму. Такий чавун одержують модифікуванням розплаву магнієм. Магній вводять у рідкий чавун перед розливанням у кількості 0,03—0,07 %. Під впливом магнію при кристалізації чавуна графить здобуває кулясту форму. Куляста форма графіту найбільш сприятлива і забезпечує високі механічні властивості чавуна (міцність при розтяганні і пластичність).

Високоміцні чавуни маркірують буквами ВЧ (У — високоміцний, Ч — чавун) і цифрами, що позначають мінімальне значення тимчасового опору при розтяганні, Мпа-10^-1 Стандартні марки високоміцних чавунів і їхні механічні властивості (ДСТ 7293—85) приведені в табл. 7.

Чавуни з кулястим графітом по механічних властивостях наближаються до сталей, зберігаючи при цьому гарні ливарні властивості, здатність легко оброблятися різанням, гасити вібрації, забезпечувати високу зносостійкість.

За структурою металевої основи високоміцні чавуни можуть бути ферритными чи перлітними. Феритний чавун має металеву основу, в основному феррит, у ній допускається до 20 % перліту. Перлітний чавун має металеву основу перліт і в ієн допускається до 20 % феррита. До перлітних чавунів відносяться чавуни марок: ВЧ50, ВЧ60, ВЧ70, ВЧ80. Чавуни марок ВЧ35, ВЧ40, ВЧ45 є феритними. На мал. 148 (альбом, с. 14) показана мікроструктура перлітного високоміцного чавуна. Металева основа чавуна складається в основному з перліту.

Таблиця 7. Механічні властивості високоміцних чавунів Марка чавуна σв,МПа σ0.2,МПа δ,% НВ   ВЧ35 350 220 22 140—170 ВЧ40 400 250 15 110—202 ВЧ45 450 310 10 140—255 ВЧ50 500 320 7 153—245 ВЧ60 600 370 3 192—227 ВЧ70 700 420 2 228-302 ВЧ80 480 480 2 248-352 ВЧ100 1000 700 2 270-360

Ферит розташований у виді облямівки навколо кулястого графіту.

Високоміцні чавуни застосовують в авто-, тракторо-і дизелебудуванні, їх використовують для виготовлення колінчатих валів, поршнів і багатьох інших відповідальних деталей, що працюють при високих циклічних навантаженнях і в умовах зношування. У важкому машинобудуванні з них виготовляють устаткування прокатних станів (прокатні валки масою до 12 т), деталі ковальсько-пресового устаткування, у турбобудуванні — корпус парової турбіни, лопатки направляючого апарата. У багатьох

(виробах деталі з високоміцних чавунів успішно заміняють деталі зі сталі. Для високоміцних чавунів дуже ефективної є термічна обробка. У деяких випадках виливка для підвищення міцності піддають загартуванню н відпустці при 500—600 °С, для збільшення пластичності — отжигу, що забезпечує сфероидизацию цементиту в перліті.