7.8. Чавуни

Білі чавуни. Білими називають чавуни, в яких практично весь вуглець знаходиться у зв'язаному стані - у вигляді цементиту. Таку назву чавун отримав за матово-білий колір зламу (через велику кількість цементиту). Структурною ознакою білих чавунів є евтектика -ледебурит. Опис структур білого чавуну було зроблено при розгляді формування структур доевтектичних, евтектичних та заевтектичних чавунів відповідно до метастабільної діаграми залізо—цементит.

Білі чавуни мають дуже високу твердість та крихкість і практично не обробляються ні різанням, ні, тим більше, тиском. Проте, значна кількість твердого цементиту обумовлює високу зносостійкість білих чавунів, особливо в умовах абразивного зносу.

Білий чавун використовують у вигляді виливків як передільний чавун для виготовлення сталі. Методом лиття виготовляють також вироби з так званого вибіленого чавуну, що в основі має структуру сірого чавуну (див. далі), а на поверхні - білого. Вибілювання є ре­зультатом швидкого охолодження поверхні виробу під час охолодження чавуну у металевій формі (кокілі). Така структура поверхневого шару (товщиною 10...З0 мм) забезпечує високу стійкість проти спрацьову­вання. Вироби із вибіленою поверхнею використовують для виготовлення прокатних валків листових станів, куль для кульових млинів, коліс вагонеток тощо.

Сірі чавуни. Таку назву чавуни отримали через сірий колір зламу, що пояснюється наявністю в структурі вуглецю у вільному стані - у вигляді графіту пластинчастої форми. Сірі чавуни кристалізуються відповідно до стабільної діаграми залізо—графіт, тобто при повільному охолодженні. Вміст вуглецю у сірому чавуні становить 2,4...3,8 %. Чим більше вуглецю, тим більше у сірому чавуні утворюється графіту і тим нижчі механічні властивості. Тому кількість вуглецю не повинна перевищювати 3,8 %. Водночас, для забезпечення високих ливарних якостей (високої рідкоплинності) вуглецю повинно бути не менше 2,4 %. Для підсилення графітизації і гарантованого одержання вуглецю у вигляді графіту навіть у місцях, де охолодження досить швидке (біля стінок виливниці), у чавун вводять додатково кремній у кількості 1,2...3,5 %. У чавуні можуть бути наявні марганець, сірка та фосфор. Марганець та сірка перешкоджають графітизації, тобто, як кажуть, сприяють вибілюванню чавуну. Фосфор практично не впливає на графітизацію. Проте він - корисна домішка, оскільки збільшує рідкотекучість чавуну. Пояснюється це утворенням легкоплавкої евтектики, що при температурі плавлення 950 °С складається з аустеніту, збагаченого фосфором, та фосфіду заліза РезР. Після твердіння фосфіду евтектика підвищує загальну твердість і зносо­стійкість чавуну. Структура металевої основи сірих чавунів може бути феритною, ферито-перлітною та перлітною. Таким чином, структури металевої основи відповідають структурам технічного заліза, доевтектоїдних та евтектоїдних сталей, а специфічні властивості чавунів визначають кількість і морфологію графітових включень (рис. 7.12, 7.13).

Чавун порівняно зі сталлю має низькі механічні властивості, оскільки графітові включення можна вважати, у першому наближенні, порожнинами, тріщинами. У цьому розумінні чавун можна розглядати як сталь з великою кількістю порожнин та тріщин. Гострі кінці графітових включень під дією навантажень відіграють роль концентра­торів напружень (аналогічно зовнішним надрізам на поверхні сталі). У таких місцях можливе виникнення тріщин та руйнування металу.

Отже, чим більше у чавуні графіту, чим більші ці включення за розмірами і чим вони грубіші, тим більше вони ослаблюють металеву матрицю, тим гірші властивості чавуну. Найгіршими будуть властивості при утворенні графітовими включеннями замкненого каркасу.

Рис. 7.12. Форми графітових включень у чавунах: а - пластинчаста; б - пластівчаста; в - куляста

Рис. 7.13. Металева основа чавунів: а - феритна; б - ферито-перлітна; в - перлітна

Границя міцності при стисканні і твердість чавуну залежать переважно від структури металевої основи і ненабагато відрізняються від властивостей сталі з такою ж структурою. Пластичність сірих чавунів дуже мала, 5 не перевищує 0,5 %.

Незважаючи на низькі механічні властивості, сірі чавуні мають ряд позитивних якостей, що й обумовлює їх широке використання, а саме:

- низька ціна;

- високі ливарні якості, що визначаються високою рідкотекучістю і, відповідно, можливістю отримати виливки складної форми;

- графіт полегшує обробку різанням, оскільки робить стружку ламкою і, потрапляючи між різальною кромкою і матеріалом, знижує коефіцієнт тертя і дозволяє підвищити швидкість обробки, уникаючи перегріву інструменту;

- добрі антифрикційні властивості за рахунок дії графіту як твердого мастила;

- графітні частинки гасять вібрації;

- висока корозійна стійкість, у тому числі жаростійкість;

- добре витримують стискальні навантаження;

- малочутливі до зовнішних концентраторів напружень (надрізи, виточки тощо), оскільки вони мало що додають до великої кількості графітних частинок, що відіграють таку ж роль.

Із сірих чавунів виготовляють станини верстатів, блоки циліндрів, поршневі кільця, радіатори опалення, сантехнічні та побутові вироби, елементи пічної арматури тощо.

Сірі чавуни з пластинчастим графітом маркуються літерами СЧ (сірий чавун), за якими стоїть цифра границі міцності при розтягуванні. Наприклад, СЧ25 - сірий чавун з границею міцності при розтягуванні -250 МПа.

Ковкий чавун. Ковкий чавун отримують з білого чавуну тривалим відпалюванням при високих температурах. При цьому утворюються графітові включення у формі пластівців. Металева основа ковких чавунів може бути феритною, ферито-перлітною або перлітною (рис. 7.12, б).

Графік технологічного режиму відпалу білого чавуну для отримання ковкого чавуну зображено на рис. 7.14.

Спочатку методом лиття отримують виріб потрібної форми із структурою білого доевтектичного чавуну. Для цього потрібно забезпечити швидке охолодження всього об'єму виливка. А це можливо, якщо товщина стінки виливка не перевищує 40...50 мм. При більшому розмірі швидкість охолодження у серцевині буде невелика і може утворитися сірий чавун із пластинчастим графітом і відповід­ними низькими характеристиками, що зробить виріб непридатним до відпалу.

Після одержання якісного виливка, його нагрівають у печі до для одержання ковкого чавуну температури 950...1000 °С, в результаті чого структура чавуну буде складалися з двох фаз - аустеніту та цементиту. Під час тривалої витримки (до 15 год) при цій температурі нестійкий цементит (і вто­ринний, і той, що входить у ледебурит) розпадається на аустеніт та вуглець, що має форму пластівців

Рис. 7.14. Графік технологічного режиму відпалу білого чавуну

РезС->.у-Ре(С)+С.

Або, узагальнюючи, Ц->А+Г.

По закінченні цього періоду відпалу, який називають першою стадією графітизації, будемо мати аустеніт і графіт. Прискорене охолодження з цих температур до кімнатних призводить до перетво­рення аустеніту на перліт, і отримуємо перліт і графіт, тобто ковкий чавун на перлітній основі.

Для отримання чавуну на ферито-перлітній чи феритній основі треба провести другу стадію графітизації тривалістю до ЗО годин. Її можна реалізувати двома способами.

За першим способом охолодження проводять до температур 740...760 °С. У цьому інтервалі температур охолодження склад аустеніту змінюється відповідно до лінії E'S' і з нього виділяється вторинний графіт, який нашаровується на графіт, що утворився на першій стадії графітизації. Потім його дуже повільно охолоджують в інтервалі температур 73 8... 727 °С. Евтектоїдний розпад аустеніту відбувається з утворенням графіту:

А->Ф+Г.

За другим способом можна знизити температуру трохи нижче від евтектоїдної (700...720 °С) і при такій температурі зробити тривалу ізотермічну витримку. Цементит перліту, а також, можливо, вторинний цементит (якщо він утворився) розпадеться за реакцією:

РезС->Зс(Ре(С)+С, або, узагальнюючи: Ц->Ф+Г.

Якщо друга стадія графітизації проходить повністю, то після охолодження отримуємо ковкий чавун на феритній основі. А якщо не повністю - на ферито-перлітній основі.

Маркують ковкі чавуни літерами КЧ (ковкий чавун), за якими вказують дві групи цифр. Перша показує значення границі міцності, друга - відносне подовження у відсотках. Наприклад, КЧ 35-10 -ковкий чавун з Og=350 МПа, 5=10 %. Відносно висока пластичність ковких чавунів, порівняно із сірими з пластинчастим графітом і дала, можливо, привід назвати ці чавуни ковкими, хоча, звичайно, їх не піддають куванню.

З ковких чавунів виготовляють картери редукторів, крюки, скоби, фланці, елементи карданних валів, ланцюги та ролики конвейєрів тощо.

Високоміцні чавуни. Високоміцні чавуни отримують модифіку­ванням, тобто перед розливанням у рідкий чавун додають у невеликій (до 1 %) кількості поверхнево-активні домішки магнію або церію, що відіграють роль модифікаторів. Магній більш дешевий матеріал, тому він використовується частіше. Проте магній у рідкому чавуні, через низьку температуру кипіння (1100 °С), випаровується і горить яскравим полум'ям, виділяючи значну кількість білого диму. Тому його за допомогою спеціальних пристроїв вводять у розлив у вигляді лігатур магнію з феросиліцієм, з міддю або нікелем.

Під дією магнію графіт у процесі кристалізації набуває не пластинчастої, а сферичної, кулястої форми. Такі включення кулястого графіту є значно менш активними концентраторами напружень, ніж пластівчастий графіт у ковких чавунах і тим більше, ніж графіт пластинчастої форми у сірих чавунах. Тому такий чавун витримує більші зовнішні навантаження без руйнування і називається високо­міцним.

Структура металевої основи, як і в інших чавунах з графітом, може бути феритною, ферито-перлітною та перлітною (рис. 7.15).

Високоміцні чавуни у багатьох виробах та конструкціях ефективно замінюють сталь. З них виготовляють колінчасті вали двигунів, поршневі кільця, втулки, зубчасті колеса, прокатні валки, які працюють у важких умовах - під дією змінних напружень та ударних навантажень.

Рис. 7.15. Мікроструктури високоміцних чавунів; а - на феритній;

б - на ферито-перлітній; в - на перлітній основах

За ДСТУ 3925-98 високоміцні чавуни маркуються літерами ВЧ (високоащний чавун) і двома групами цифр: перша - границя міцності прИриззйцувздщі, друга - відносне подовження. Наприклад, ВЧ 800-2 -високоміцний чавун з og=800 МПа, 5=2 %.

Чавун з вермикулярним графітом (ЧВГ). Це "наймолодший" з усіх видів чавуну (створений 1970 p.). Поєднує у собі високі ливарні, механічні та теплофізичні властивості, отже, придатний для відливання деталей складної конфігурації, тонкостінних, що витримують значні теплові та силові навантаження.

Кожна частинка вермикулярного графіту, як і частинка кулястого графіту, росте з окремого центру кристалізації. При цьому вона також оточена аустенітом, але не суцільно: кінчики залишаються у контакті з рідиною, ростуть швидше за аустеніт і перетворюються на округлі, червоподібні (від лат. vermicula - черв'як) відростки. Завдяки цьому ефект надрізу зменшується порівняно з пластинчастим графітом і, отже, забезпечується вища міцність. Проте, більша розгалуженість і менші відстані, ніж у кулястого графіту, забезпечують меншу схильність до вибілювання і усадочних дефектів, більшу густину, вищі тепло- й електропровідність.

Механічні властивості ЧВГ менше залежать від вуглецевого еквіваленту, отже, можна більш вільно варіювати хімічний склад і швидкість охолодження, що особливо важливо для різностінних виливків.

Переваги ЧВГ над чавунами з пластинчастим графітом:

- вища статична міцність Од, границя витривалості о'.і, відносні подовження 8 та звуження \у, ударна в'язкість KCV - без використання дорогих легуючих елементів;

- краща опірність високотемпературному окисленню та росту;

- менша чутливість міцності до товщини стінок. Переваги над чавунами з кулястим графітом:

- менший термічний коефіцієнт розширення а;

- вища теплопровідність А;

- кращі демпфувальні властивості;

- більша довговічність щодо термічної утоми;

- кращі ливарні властивості, що дозволяє виготовляти вироби склад­ної форми.

Відповідно до ДСТУ 3926-99 марки чавунів з вермикулярним гра­фітом позначаються так: спочатку ідуть літери ЧВГ (чавун, верми-кулярний графіт), а далі - цифрове позначення мінімального значення тимчасового опору розриву під час розтягнення у мегапаскалях та через дефіс - мінімальне значення відносного подовження у відсотках. Наприклад, ЧВГ 400-4: Og=400 МПа, d=4 %. Цей стандарт поширю­ється на чавун для виливків, що має у структурі графіт вермикулярної (червоподібної) форми з включенням до 40 % кулястого та 10 % плас­тинчастого графіту.