Дослідження мікроструктури чавунів

Мета роботи: вивчення мікроструктури чавунів.

Прилади та обладнання: зразки чавунів, мікроскоп.

Теоретична частина

Сплави заліза з вуглецем, що містять більше 2,14 % вуглецю, мають назву чавуни. На відміну від сталі чавуни мають більш високий вміст вуглецю, твердіють з утворенням евтектики, мають низьку здатність до пластичної деформації ( δ до 10-15% ) та високі ливарні властивості. Такі технологічні властивості обумовлені наявністю евтектики в структурі.

Чавуни виплавляють у доменних печах, вагранках та електропечах. Виплавлені в доменних печах чавуни бувають переробними, спеціальними (феросплави) і ливарними. Переробні та спеціальні чавуни використовують для наступної виплавки сталі та чавуну. У вагранках та електропечах переплавляють ливарні чавуни. Близько 75 % всіх виливків отримують із чавунів. У ливарному чавуні кількість вуглецю не більше 4,0 %. Крім вуглецю обов'язково присутні домішки –S, Р, Мn, Si, Cu, Ni, Al, Cr та ін.

Класифікація чавунів:

1. Білий чавун, у якому весь вуглець знаходиться у зв'язаному стані у вигляді цементиту Fе₃С. Чавун у зламі білого кольору й має характерний блиск.

2. Половинчастий чавун, у якому вуглець знаходиться у вигляді цементиту і графіту.

3. Сірий чавун, у якому весь вуглець або його більша частина знаходиться у вільному стані у вигляді пластинчастого графіту (рис.1.а.).

4. Чавун з відбіленою поверхнею, у якому основна маса металу має структуру сірого чавуну, а поверхневий шар - білого чавуну. Відбілений шар одержують у товстостінних масивних деталях при литті їх у металеву форму (кокіль). Тому чавуни з відбіленою поверхнею використовують для деталей з високою зносостійкістю, наприклад, лемехів плугів з відбіленим носком і лезом.

5. Чавуни з вермикулярним графітом. Вермикулярний графіт відрізняється округлими краями, меншими розмірами та меншим співвідношенням довжини й товщини (l/d= 2-10), у порівнянні з пластинчастим графітом.

6. Високоміцні чавуни, у яких графіт має кулясту форму (рис.1.б.).

7. Ковкі чавуни, що отримують із білих чавунів шляхом відпалу, після якого графіт має пластівчасту форму (рис.1.в.).

Графітизація - це процес виділення графіту при кристалізації сплавів заліза з вуглецем. Графітизація чавуну залежить від ряду факторів. Основні фактори, що визначають ступінь графітизації чавуну, - це швидкість охолодження і елементи, які сприяють утворенню графіту.

В одному і тому виливку чавун може мати різну структуру. У тонких частинах виливка, де висока швидкість кристалізації та охолодження, чавун має менший ступінь графітизації, ніж у масивній частині. Швидке охолодження сприяє утворенню білого чавуну, більш повільне - сірого чавуну. З домішок, що входять до складу чавуну, найбільш сильний позитивний вплив на графітизацію має кремній. Кремнію в чавуні - від 0,5 до 4 %. Марганець перешкоджає графітизації, збільшуючи схильність чавуну до відбілювання, тобто утворення цементиту. Вміст марганцю в чавуні звичайно не більше 1,2 %. Сірка ( до 0,2%) є шкідливою домішкою в чавуні, вона знижує рідкотекучість, сприяє утворенню газових пор, збільшує усадку та схильність до утворення тріщин. Фосфор ( до 0,4 % ) майже не впливає на графітизацію, але є корисною домішкою, тому що збільшуює рідкотекучість за рахунок утворення легкоплавкої (950 - 980 °С) фосфідної евтектики.

Мікроструктура чавуну складається з металевої основи і графітних включень. Властивості чавуну залежать від властивостей металевої основи та форми включень графіту.

Металева основа може бути перлітною, коли 0,8 % вуглецю знаходиться у вигляді цементиту, а інший вуглець у вигляді графіту. Ферито - перлітною, коли кількість вуглецю у вигляді цементиту менше 0,8 % і феритною ( коли вуглець знаходиться у вигляді графіту ). Структура металевої основи визначає твердість чавуну.

Графіт чавуну буває пластинчастим ( сірий чавун ), пластівчастим (ковкий ) і кулястим ( високоміцний ) – див. рис.1.

Сірий чавун із пластинчастою формою графіту має гарну рідкотекучість, малу усадку, легко обробляється різанням, має антифрикційні та демпфіючі властивості.

Основні галузі використання сірого чавуну – верстатобудування та важке машинобудування (станини верстатів, корпусні деталі ), автомобільна промисловість та сільськогосподарське машинобудування (картери, блоки циліндрів, шківи, кришки тощо).

Феритні сірі чавуни призначені для слабконавантажених і середньонавантажених деталей: кришок, фланців, маховиків, корпусів редукторів, а також гальмівних барабанів, дисків зчеплення тощо.

Ферито-перлітні сірі чавуни використовують для деталей, які працюють при підвищених статичних і динамічних навантаженнях - блоків циліндрів, картерів двигунів, станин верстатів та ін.

Перлітні (модифіковані) сірі чавуни використовують для деталей, що працюють при високих навантаженнях або тяжких умовах: гільз блоків циліндрів, розподільних валів, зубчастих коліс та ін.

Чавун з вермикулярним графітом можна розглядати як перехідний від сірого чавуну з пластинчастим графітом до високоміцного чавуну з кулястим графітом. Вермикулярний графіт відрізняється округлими краями, меншими розмірами і не є значним концентратором напружень, як пластинчастий. Чавуни з вермикулярним графітом використовують на заміну марок сірого чавуну для базових деталей верстатів та ковальсько-пресового обладнання, корпусних деталей та ін.

Для отримання високих властивостей чавунних відливків використовують модифікування. Для цього в рідкий сплав перед розливанням додають спеціальні домішки - модифікатори: феросиліцій, силікокальцій, алюміній, магній. Для отримання кулястої форми графітних включень, характерних для високоміцних чавунів, як модифікатор найбільш часто використовують магній ( 0,05 - 0,08 % ), він збільшує коефіцієнт поверхневого натягу графіту.

Високоміцний чавун має феритну, ферито-перлітну та перлітну основи. У сільськогосподарському машинобудуванні ці чавуни використовують для виготовлення колінчастих валів, шестерень, зірочок, зубів борін, стовп плугів, ступиць коліс, причіпних скоб, дисків муфт та ін.

У ковкому чавуні графіт має пластівчасту форму. Назва ковкий умовна: вироби з них одержують литтям і пластичної деформації не піддають. Ковкий чавун отримують із білого графітизуючим відпалом - томлінням ( рис.2). При нагріві до 900-1050ºC відбувається перліто-аустенітне перетворення з розчиненням вторинного цементиту. Під час першої стадії графітизації І (витримка близько 10 год.) евтектичний цементит та залишки вторинного цементиту змінюються на графіт, структура з аустенітно-цементитної перетворюється на аустенітно-графітну. Друга стадія графітизації ІІ – це повільне охолодження ( 6-12 год. до 720 ºC ), де відбувається евтектоїдний розпад аустеніту ( А → Ф+Г). При прискореному охолодженні на повітрі друга стадія графітизації гальмується, розпад аустеніту йде за схемою А → Ф+Ц. У проміжному випадку частина аустеніту розпадається за схемою А → Ф+Г , а інша частина аустеніту – за схемою А → Ф+Ц.

Ковкий чавун, у порівнянні з сірим, має більш високі механічні властивості, його досить широко використовують в автомобільній промисловості, сільськогосподарському машинобудуванні для деталей, що працюють при ударних і вібраційних навантаженнях (картери, муфти, важелі, деталі рульового керування, кільця ланцюгів та ін).

а) б) в)

Рис. 1. Мікроструктура чавуну з різною формою графіту:

а) пластинчастою; б) кулястою; в). пластівчастою. х100

Рис.2. Графік відпалу білого чавуну на ковкий.

Порядок виконання роботи:

Завдання 1.

1. За допомогою мікроскопа ознайомитись з мікроструктурою зразків.

2. Замалювати мікроструктури в лабораторному зошиті.

3. Зробити висновки.

Завдання 2.

1. Проаналізувати структурні перетворення чавуну заданого викладачем складу за діаграмою стану Fe-C.

2. Проаналізувати мікроструктуру та властивості заданого сплаву.

3. Зробити висновки.

Дайте відповіді на запитання:

1. Як поділяють чавуни залежно від форми графіту?

2. Як поділяють чавуни залежно від металевої основи?

3. Яка мікроструктура і властивості сірого чавуну ?

4. Яка мікроструктура і властивості ковкого чавуну?

5. Яка мікроструктура і властивості високоміцного чавуну?

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №11