Тема 4.3. Чавуни план

1. Графітизація чавунів.

2. Діаграма стану залізо-графіт.

3. Фактори, що впливають на структуру чавунів.

4. Сірі чавуни, їх марки, властивості, застосування.

5. Високоміцні чавуни, марки, отримання, властивості, застосування.

6. Ковкі чавуни, спосіб одержання, марки, властивості, застосування.

Чавуни – залізовуглецеві сплави з вмістом вуглецю від 2,14 до 6,67%. Крім заліза й вуглецю, вони містять кремній, марганець, фосфор і сірку в більшій кількості, ніж сталі.

Мають добрі ливарні властивості, тому застосовуються для виготовлення відливок; достатньо міцні, дешевші від сталі, їх не можна обробляти тиском.

На структуру чавунів впливає хімічний склад і швидкість охолодження.

За структурою чавуни ділять на білі, сірі, ковкі та високоміцні.

Білі – чавуни, в яких весь вуглець перебуває у вигляді цементиту (злами мають білий колір). Кристалізація білих чавунів характеризується діаграмою стану Fe-Fe₃C; в структурі вони містять тверду і крихку евтектику – ледебурит, тому не застосовуються для виготовлення деталей машин.

Сірі, ковкі, високоміцні чавуни широко використовують як конструкційні матеріали, всі вони в структурі містять включення графіту. При дуже повільно-му охолодженні залізо-вуглецевих сплавів відбувається виділення графіту.

Графітизація – виділення графіту з рідкого і твердого розчинів, а також з цементиту. Графіт – модифікація вуглецю, кристалічна решітка – ГЩУ, дуже низька твердість.

Процес графітизації чавуну відображає діаграма стану залізо-графіт (стабільної рівноваги) (рис.4.5). На діаграмі Fе-Fe3C поруч із суцільними лініями нанесені пунктирні лінії діаграми Fе-C, які переміщені дещо вліво і вгору (змінюється положення критичних точок по концентрації і температурі). Кристалізація відбувається аналогічно діаграмі Fе-Fe3C, тільки замість цементиту виділяється графіт.

Рисунок 4.5. Діаграма стану залізо – графіт

Фактори, що впливають на структуру чавунів:

1. хімічний склад;

2. швидкість охолодження;

3. модифікування.

Вплив домішок на структуру і властивості чавунів:

Вуглець (2,9-3,7%) знаходиться переважно у вигляді графіту, який частково порушує суцільність металічної основи, надаючи чавуну крихкості, робить чавун нечутливим до поверхневих концентраторів напружень (надрізів, виточок, отворів); покращує оброблюваність різанням; покращує ливарні властивості (знижує усадку, збільшує рідкотекучість).

Кремній (1,2-2,6%) посилює графітизацію чавуну і зменшує кількість Fe₃C; покращує оброблюваність різанням і рідкотекучість.

Марганець (0,5-1,1%) протидіє графітизації, сприяє утворенню Fe₃C; підвищує міцність чавуну, погіршує оброблюваність різанням, нейтралізує шкідливу дію сірки.

Сірка (не більше 0,12-0,15%) – шкідлива домішка; протидіє графітизації, сприяє виділенню Fe₃C, знижує рідкотекучість, збільшує усадку, підвищує схильність до утворення тріщин.

Фосфор (не більше 0,2-0,3%) – шкідлива домішка, практично не впливає на графітизацію; створює тверду і крихку фосфідну евтектику, підвищуючи крихкість; збільшує рідкотекучість і зносостійкість.

Елементи-графітизатори – С, Si, Cu, Ni.

Елементи-антиграфітизатори – Mn, S, Cr.

Вплив швидкості охолодження на структуру чавунів: збільшення швид-кості охолодження гальмує виділення графіту і сприяє виділенню цементиту.

Щоб визначити металічну основу чавуну, користуються структурною діаграмою – залежністю між сумарним вмістом С і Si та швидкістю охолодження (товщиною стінки відливки) (рис.4.6).

І – білі чавуни (П + ЦІІ + Л), найбільша швидкість охолодження; V – феритні чавуни (Ф + Гр), найменша швидкість охолодження (повна графітизація); ІІ – половинчасті чавуни (П + ЦІІ + Гр); ІІІ – перлітні чавуни (П + Гр); ІV – ферито-перлітні чавуни (Ф + П + Гр).

Рисунок 4.6. Структурна діаграма.

Отже, регулюючи сумарний вміст С і Si та швидкість охолодження, можна одержати потрібну структуру металічної основи.

Вплив модифікування:

Для збільшення кількості центрів кристалізації в рідкий чавун перед розливанням вводять модифікатори – Al, Ca, Si, які сприяють утворенню дрібних включень графіту, підвищуючи міцність.

Сірі чавуни – чавуни, в яких більша частка вуглецю знаходиться у вигляді графіту пластинчастої форми. Металічна основа – Ф, Ф + П, П.

Марки сірих чавунів (по ГОСТ 1412-85):

СЧ10 (Ф + Гр) СЧ15, СЧ20 (Ф + П + Гр) СЧ25, СЧ30, СЧ35 (П + Гр)

«СЧ» - сірий чавун; число – межа міцності на розтяг σ_В, кг с/мм².

Наприклад: СЧ15 – сірий чавун з межею міцності на розтяг 15 кг с/мм².

Сірі чавуни мають добрі ливарні властивості, легко обробляються різанням, гасять вібрації, найдешевші і найпоширеніші серед ливарних сплавів; міцність і пластичність невисокі (через пластинчасту форму графіту).

Застосування: СЧ10, СЧ15, СЧ20 – для маловідповідальних деталей; СЧ25, СЧ30, СЧ35 – для відповідальних виробів (деталі верстатів, автомобільних і тракторних двигунів, в авто-, хімічному, насосному машинобудуванні тощо).

Високоміцні чавуни – чавуни з кулястою формою графіту.

Металічна основа – Ф, Ф + П, П.

Одержують із сірих чавунів шляхом модифікування магнієм, кальцієм, цезієм, іттрієм тощо, які надають графіту кулястої форми. Графіт кулястої форми є меншим концентратором напружень і менше порушує суцільність металічної основи, ніж пластинчастий графіт, тому такий чавун найміцніший.

Марки високоміцних чавунів (по ДСТУ 3925-99): ВЧ350-22; ВЧ400-15; ВЧ450-10; ВЧ500-7; ВЧ600-3; ВЧ700-2; ВЧ800-2; ВЧ1000-2.

«ВЧ» - високоміцний чавун; перше число – межа міцності на розтяг σ_В, МПа, друге число – відносне видовження δ, %. ( ВЧ450-10 – високоміцний чавун з межею міцності на розтяг 450 МПа та відносним видовженням 10%.)

Властивості – найвищі механічні властивості серед чавунів, добрі ливарні властивості.

Застосування – для відповідальних деталей: колінчастих валів, валків прокатних станів, шаботів молотів, корпусів парових турбін, супортів верстатів ...

Ковкі чавуни – чавуни з пластівчастою формою графіту, отримані шляхом графітизуючого відпалу відливок з білого чавуну.

Металічна основа – Ф, П, рідко – Ф + П.

Виготовляють відливки з білого чавуну, потім їх відпалюють з метою графітизації (рис.4.7). 1-а стадія графітизації (930-970оС): розпад евтектичного цементиту з утворенням аустеніту і графіту; 2-а стадія графітизації (720-740оС): графітизація евтектоїдного цементиту. В результаті – ковкий чавун з феритною основою і пластівчастим графітом.

Рисунок 4.7. Графік графітизуючого відпалу при одержанні відливок з ковкого чавуну.

При 1-стадійному відпалі (тільки 1-а стадія з t=930-970^оС і потім швидке охолодження) одержують ковкий чавун з перлітною основою і пластівчастим графітом. Відпал триває декілька десятків годин.

Марки ковких чавунів (по ГОСТ 1215-79):

КЧ30-6; КЧ33-8; КЧ35-10; КЧ37-12 - феритні;

КЧ45-7; КЧ50-5; КЧ55-4; КЧ60-3; КЧ65-3; КЧ70-2; КЧ80-1,5 - перлітні.

«КЧ» - ковкий чавун; перше число – межа міцності на розтяг σ_В, кг с/мм², друге число – відносне видовження δ, %. Наприклад: КЧ37-12 – ковкий чавун з межею міцності на розтяг 37 кг с/мм² і відносним видовженням 12%.

Властивості – міцніші і пластичніші, ніж сірі чавуни («ковкий» - умовна назва); відсутні ливарні напруження; висока корозійна стійкість. Застосування – відливки, що працюють під ударними або циклічними навантаженнями (корпуси редукторів, задніх мостів, муфти, арматура, вилки карданних валів, зубчасті колеса тощо).

Рисунок 4.8. Мікроструктури чавунів.

Залежність властивостей чавунів від структури:

1. Форма графіту впливає на міцність і пластичність:

	СЧ	ВЧ	КЧ
σВ, кг с/мм2	10-35	35-100	30-80
δ, %	0,2-0,5	2-22	1,5-12

2. Металічна основа впливає на міцність і твердість:

	Ф	Ф + П	П
НВ	150	200	250
σВ	→

Контрольні питання:

1. Дайте визначення чавунів. Класифікація чавунів за структурою.

2. В якому вигляді перебуває весь вуглець в білих чавунах?

3. Що таке графітизація? Чим діаграма Fе-C відрізняється від Fе- Fе₃C?

4. Які фактори впливають на структуру чавунів?

5. Як впливають на властивості чавуну домішки: вуглецю; марганцю; кремнію; фосфору; сірки? Елементи-графітизатори та антиграфітизатори.

6. Як впливає швидкість охолодження на структуру чавунів?

7. Якій вплив модифікування Al, Ca, Si чавунів?

8. В якій формі більша частка вуглецю находиться в сірих чавунах?

9. Як маркують сірі чавуни?

10. В якій формі вуглець знаходиться в високоміцних чавунах?

11. Як маркують високоміцні чавуни?

12. В якій формі вуглець знаходиться в ковких чавунах?

13. Як маркують ковкі чавуни?

14. Розгляньте залежність властивостей чавунів від структури.