2. Сірий і білий чавуни

Сірий чавун (технічний) являє собою власне кажучи сплав Fе-Sі-С, що містить як неминучі домішки Mn, S і Р. У структурі сірих чавунів велика частина або весь вуглець знаходиться у виді графіту. Характерна риса структури сірих чавунів, що визначає багато їхніх властивостей, полягає в тім, що графить має в поле зору мікрошліфа форму пластинок (рис. 2,у, г). Найбільш широке застосування одержали доевтектоїдні чавуни, що містять 2,4 - 3,8 % С: чим вище зміст у чавуні вуглецю, тим більше утвориться графіту і тем нижче його механічні властивості. У зв'язку з цим кількість вуглецю в чавуні звичайно не перевищує 3,8 %. У той же час для забезпечення високих ливарних властивостей (гарної жидкотекучості) повинне бути не менше 2,4 % С.

Кремній, вміст якого в сірих чавунах знаходиться в межах 1,2 -3,5%, дуже впливає на будівлю, а отже, і на властивості чавунів, тому при вивченні структури-утворення в технічному чавуні варто користуватися не діаграмою стану Fе-С, а потрійною діаграмою Fе-Sі-С.

Охолодження чавуну в реальних умовах вносить істотні відхилення від умов рівноваги, тому по рівноважній діаграмі стану не можна судити про процес затвердіння і фазах, що виходять при цьому, і структурах у виробничих умовах. Структура чавуну у виливках залежить у першу чергу від хімічного, складу (вміст вуглецю і кремнію) і швидкості кристалізації.

Кремнії сприяє процесові графітизації, діє в тім же напрямку, що й уповільнення швидкості охолодження. Змінюючи, з одного боку, зміст у чавуні вуглецю і кремнію, а з іншого боку - швидкість охолодження, можна одержати різну структуру металевої основи чавуну. Структурна діаграма для чавунів, що показує, який повинна бути структура у виливку з товщиною стінки 50 мм, у залежності від змісту в чавуні кремнію і вуглецю, дана на рис. 4, а. При даному змісті вуглецю чим більше в чавуні кремнію, тим повніше протікає графітизація; чим більше в чавуні вуглецю, тим менше потрібно кремнію для одержання заданої структури.

Рис. 4. Структурні діаграми для чавунів: а — вплив С и Si на структуру чавуну; б — вплив швидкості охолодження (товщини виливка) і суми C + Si на структуру чавуну; у — залежність механічних властивостей (в_ж) чавуну різних марок від товщини виливка; I — білі чавуни; III—V — сірі чавуни

Рис. 5.Мікроструктура сірого чавуну, х500: а - перлітний чавун;

б - ферито-перлитний чавун; в - феритний чавун

У залежності від змісту вуглецю, зв'язаного в цементит, розрізняють:

1. Білий чавун, у якому весь вуглець знаходиться у виді цементиту Fe₃C. Структура такого чавуну - перліт, ледебурит і цементи.

2. Половинчастий чавун, велика частина вуглецю (~0,8%) знаходиться в Fe₃C. Структура такого чавуну - перліт, ледебурит і пластинчастий графіт¹.

3. Перлітний сірий чавун, структура (рис. 98, с) - перліт і пластинчастий графіт. У цьому чавуні 0,7 - 0,8 % Зі знаходиться у виді Fе_зС, що входить до складу перліту.

4. Феритно-перлітний сірий чавун, структура (рис. 5,б) - перліт, ферит і пластинчастий графіт. У цьому чавуні в залежності від ступеня розпаду евтектоїдного цементиту в зв'язаному стані знаходиться від 0,7 до 0,1% С.

5. Феритний сірий чавун, структура (рис. 5, в) - ферит і пластинчастий графіт. У цьому випадку весь вуглець знаходиться у виді графіту.

При даному змісті вуглецю і кремнію графітизація протікає тим повніше, ніж повільніше охолодження. У виробничих умовах швидкість охолодження зручно характеризувати по товщині стінки виливка; чим тонше виливок, тим швидше охолодження й у меншому ступені протікає графітизація (див. рис. 97,б).

Вміст кремнію треба збільшити у виливку невеликого перетину, що прохолоджується прискорено, або в чавуні з меншим вмістом вуглецю. У товстих перетинах виливків, що прохолоджуються повільніше, графітизація протікає повніше і вміст кремнію може бути менше. Кількість марганцю в чавуні не перевищує 1,25 -1,4%/ Марганець перешкоджає графітизації, тобто утрудняє виділення графіту і підвищує здатність чавуну до відбілювання - появі, особливо в поверхневих шарах, структури білого або половинчастого чавуну. Сірка відноситься до елементів, що сильно гальмують графітизацію, і викликає збільшення графітних пластинок. Сірка є шкідливою домішкою, що погіршує механічні і ливарні властивості чавуну. Тому її зміст обмежують до 0,1 - 0,2%. У сірому чавуні сірка утворить сульфіди (Fe, Mn) або їхні тверді розчини (Fe, Mn)S.

Вміст фосфору в сірому чавуні частіше 0,2 %, але іноді допускається навіть до 0,4 - 0,5 %. Фосфор не впливає на графітизацію. При підвищеному змісті фосфору в структурі чавуну утворяться тверді включення фосфідної евтектики: у сірих чавунах - подвійної (Ре₃Р + аустеніт), а в білий-потрійний (Fe₃C-f Fе_зP + аустеніт). Евтектика поліпшує ливарні властивості чавуну.

Механічні властивості чавуну обумовлені його структурою, головним чином графітної складової. Чавун можна розглядати як сталь, пронизану графітом, що відіграє роль надрізів, що послабляють металеву основу структури. У цьому випадку механічні властивості будуть залежати від кількості, величини і характеру розподілу включень графіту. Чим менше графітних включень, тим вони дрібніше і більше ступінь ізольованості їх, тим вище міцність чавуну. Чавун з великою кількістю прямолінійних великих графітних виділень, що розділяють його металеву основу, має грубозернистий злам і низькі механічні властивості. Чавун із дрібними і завихреними графітними виділеннями має більш високі властивості.

Пластинки графіту зменшують опір відривові, тимчасовий опір і особливо сильно пластичність чавуну. Відносне подовження при розтяганні сірого чавуну незалежно від властивостей металевої основи практично дорівнює нулеві (~0,5%). Графітні включення мало впливають на зниження тимчасового опору при стиску і твердості, величина яких визначається головним чином структурою металевої основи чавуну. При стиску чавун перетерплює значні деформації і руйнування має характер зрізу під кутом 45°. Руйнівне навантаження при стиску в залежності від якості чавуну і його структури в 3 - 5 разів більше, ніж при розтяганні. Тому чавун рекомендується використовувати переважно для виробів, що працюють на стиск.

Графит, порушуючи неперервність металевої основи, робить чавун малочутливим до всіляких концентраторів напруг (дефектам поверхні, надрізам, виточенням і т.д.). Унаслідок цього сірий чавун має приблизно однакову конструктивну міцність у виливках простої форми або з рівною поверхнею і складною формою з надрізами або погано обробленою поверхнею. Металева основа в сірому чавуні забезпечує найбільшу міцність і зносостійкість, якщо вона має перлітну структуру. Присутність у структурі фериту, не збільшуючи пластичність і в'язкість чавуну, знижує його міцність і зносостійкість. Найменшою міцністю володіє феритний сірий чавун. Сірий чавун маркірується буквами С - сірий і Ч - чавун (ДСТ 1412 - 79). Після букв випливають цифри, що вказують середню величину тимчасового опору при розтяганні (кгс/мм²). Сірі чавуни по властивостях і застосуванню можна розділити на наступні групи.

Феритні (СЧ10, СЧ15, СЧ18) і ферито-перлітні (СЧ20, СЧ25) чавуни мають при розтяганні а_в 100 - 250 МПа, при вигині 280 - 320 МПа (28—32 кгс/мм²). Їхній зразковий склад: 3,5 - 3,7% С; 2,0 - 2,6% Si; 0,5 -0,8% Мn; <0,3 % Р; <0,15% S. Структура чавунів - перліт, ферит і графить грубий (СЧ10, СЧ15) або середньої величини. Ці чавуни застосовують для мало відповідальних деталей, що випробують невеликі навантаження в роботі з товщиною стінки виливка 10 - 30 мм. Так, чавун СЧ10 використовують для будівельних колон, фундаментних плит, а чавуни СЧ15 і СЧ18 для литих мало навантажених деталей сільськогосподарських машин, верстатів, автомобілів і тракторів, арматури і т.д.

Перлітний чавун (СЧЗ0, СЧ35, СЧ40) застосовують для відповідальних виливків (станин могутніх верстатів і механізмів, поршнів, циліндрів, деталей, що працюють на знос в умовах великих тисків, компресорів арматури, деталей металургійного устаткування і т.д.) з товщиною стінки до 60— 100 мм*. Структура цих чавунів - дрібно еластичний перліт (сорбіт) із дрібними завихреними графітними включеннями. До перлітних чавунів відносяться так називані сталістий і модифікований чавун.

Сталісті чавуни (СЧ24, СЧ25). При виплавці цих чавунів у шихту додають 20-30 % сталевого брухту; чавуни мають знижений зміст вуглецю, що забезпечує одержання більш дисперсної перлітної основи з меншою кількістю графітних включень. Зразковий склад: 3,2-3,4 % З; 1,4-2,2% Si; 0,7-1,0% Мп; <0,2 % Р; <0,15 % S. Зміст кремнію в цих чавунах повинне бути достатнім для запобігання відбілювання чавуну.

Модифікований чавун (СЧ30, СЧ35, СЧ40 і СЧ45) одержують при додаванні в рідкий чавун перед розливанням спеціальних добавок - модифікаторів (графить, 75 %-ний феросиліцій, силікокальцій у кількості 0,3 - 0,8 % і т.д.). Модифікування застосовують для одержання в чавунних виливках з різною товщиною стінок перлітної металевої основи з украпленням невеликої кількості ізольованих пластинок графіту середньої величини. Модифікування найбільш ефективне при використанні чавуну визначеного складу і перегріві його перед модифікуванням до 1400 °С. Перегрів забезпечує здрібнювання графітних включень і сприяє одержанню більш щільних виливків. Модифікуванню піддають низьковуглецевий містить порівняно невелика кількість кремнію і підвищена кількість марганцю і, що має без уведення модифікатора структуру половинчастого чавуну, тобто ледебурит, перліт і графить. Зразковий хімічний склад чавуну: 2.2-3,2% С; 1,0-2,9% Si; 0,2- 1,1 % Мn; <0,2 % Р; <0,12 % S.

Для зняття ливарних напруг і стабілізації розмірів чавунні виливки відпалюють при 500-600 °С. У залежності від форми і розмірів виливка витримка при температурі відпалу складає від 2 до 10 год. Охолодження після відпала повільне, разом з піччю. Після такої обробки механічні властивості змінюються мало, а внутрішні напруження знижуються на 80-90%. Іноді для зняття напруг у чавунних виливках застосовують природне старіння чавуну - витримку їхній на складі протягом 6-10 міс; така витримка знижує напругу на 40-50 %.

Антифрикційні чавуни застосовують для виготовлення підшипників ковзання, втулок і інших деталей, що працюють при терті об метал, частіше в присутності змащення. Ці чавуни повинні забезпечувати низьке тертя (малий коефіцієнт тертя), тобто антифрикційність. Антифрикційні властивості чавуну визначаються співвідношенням перліту і фериту в основі, а також кількістю і формою графіту. Антифрикційні чавуни виготовляють наступних марок: АЧС-1; АЧС-2 і АЧС-3.

Деталі, що працюють у парі з загартованими або нормалізованими сталевими валами, виготовляють з перлітних сірих чавунів АЧС-1 і АЧС-2; для роботи в парі з термічно неопрацьованими валами застосовують перліто-феритні чавун АЧС-3. Перлітний чавун, що містить підвищену кількість фосфору (0,3-0,5%), використовують для виготовлення поршневих кілець. Висока зносостійкість кілець забезпечується металевою основою, що складається з тонкого перліту і рівномірно^* розподіленої фосфідної евтектики при наявності ізольованих виділень пластинчастого графіту.

Білий і вибілений чавун. Білий чавун унаслідок присутності в ньому цементиту має високу твердість, тендітний і практично не піддається обробці різанням, тому має обмежене застосування. Вибіленими називають чавунні виливки, у яких поверхневі шари мають структуру білого (або половинчастого) чавуну, а серцевина - сірого чавуну. Між цими зонами може бути перехідний шар. Відбілювання на деяку глибину (12-30 мм) є наслідком швидкого охолодження поверхні, що виникає в результаті виливка чавуну в металеві форми (кокіль) або в піщану форму.

Висока твердість поверхні 400-500 HV обумовлює гарну опірність проти зносу (особливо абразивного), тому з вибіленого чавуну виготовляють прокатні валки листових станів, колеса, кулі для млинів і т.д. У цьому випадку застосовують чавун зі зниженим вмістом кремнію, що схильний до відбілювання. Його зразковий склад: 2,8-3,6 % C; 0,5-0,8% Si; 0,4-0,6% Мn.