А) доевтектичний 2,9 %с (×150); б) евтектичний 4,3 %с (×200); в) заевтектичний 5,5%с (×150)

2.3.2. Половинчасті чавуни

Методом лиття виготовляються також вироби з так званого половинчастого чавуну, що в основі має структуру сірого чавуну, а на поверхні – білого (рис. 2.2). Вибілювання є результатом швидкого охолодження (в кокілях). Така структура поверхневого шару (товщиною 10...30 мм) забезпечує високу стійкість проти спрацьовування. Вироби з відбіленою поверхнею використовуються для виготовлення прокатних валів листових станів, куль для кульових млинів, коліс вагонеток тощо.

а) б)

Рисунок 2.2 – Мікроструктура половинчастих чавунів:

а) половинчатий чавун: сірі включення в центрі – графіт, темні ділянки навколо графіту – перліт, останнє – ледебурит (×200);

б) половинчатий доевтектичний чавун: сірі пластини – включення графіту, сірі ділянки – перліт, білі ділянки з включеннями перліту – цементит (ледебурит) (×200)

2.3.3. Сірі чавуни

В сірих чавунах (ГОСТ 1412-85) графіт на площині шліфа має пластинчату форму. Кристалізація та структурні перетворення в цих чавунах відбуваються відповідно до стабільної діаграми (Fe-C) (рис. 2.3): при температурі нижче 1153 ⁰С утворюється аустенітно-графітна евтектика, а нижче 738 ºС – ферито-графітний евтектоїд.

Рисунок 2.3 – Діаграма стану залізо-графіт (штрихові лінії)

Технічні сплави, окрім заліза та вуглецю, містять кремній, марганець, алюміній тощо, тобто з багатокомпонентними сплавами, в яких евтектичне та евтектоїдне перетворення відбувається в інтервалі температур.

Структура відливок залежить від хімічного складу та швидкості охолодження при кристалізації та евтектоїдному перетворенні.

Через те, що в цементиті вміст вуглецю 6,67 %, а в графіті 100 %, кінетично більш ймовірно утворення Fe₃C, не дивлячись на те, що термодинамічно стабільною фазою є графіт (правило Освальда). Тому при швидкому охолодженні можливо утворення цементиту та структур білого чавуну, зменшення швидкості охолодження сприяє процесу графітизації, тобто діє аналогічно введенню кремнію та алюмінію.

Структура чавунних відливків визначається за допомогою діаграм, що показують залежність структури від хімічного складу чавуну та товщини (швидкості охолодження) відливок. В залежності від структури металевої основи (рис. 2.4) сірі чавуни поділяються на:

• феритні: структура основи – ферит, практично весь вуглець (за винятком розчиненого у фериті) знаходиться в графіті (рис. 2.4);

• ферито-перлітні: структура основи – ферит і перліт. У зв’язаному стані знаходиться <0,7 % вуглецю (в цементиті перліту);

• перлітні: структура основи – перліт. У цих чавунах 0,7 % вуглецю знаходиться в цементиті перліту;

• перлітно-цементитні.

Рисунок 2.4 – Мікроструктура сірого чавуну після травлення, (×200): структура: графіт – сірі включення пластинчатої форми,

Ферит – білі зерна.

Механічні властивості сірих чавунів залежать не тільки від структури основи, але і від форми та розміру графітних частинок (рис. 2.5). Механічні властивості деяких марок сірих чавунів приведено в табл. 2.1.

Зміною складу вуглецю та кремнію, з одного боку, та швидкості охолодження, з іншого, можна отримати різні структури чавуну (рис. 2.6).

Як видно, при даному вмісту вуглецю чим більше в чавуні кремнію, тим повніше протікає процес графітизації, i чим більше в чавуні вуглецю, тим менше потрібно кремнію для отримання заданої структури.

Таблиця 2.1 - Механічні властивості сірих чавунів

Марка сплаву	Механічні властивості, не менше				Призначення
	σв, кгс/мм2		σзг, кгс/мм2	НВ, кгс/мм2
Сірі чавуни, ГОСТ 1412-85
СЧ 12		12	28	143-229	Грузи, плити для полу та інші невідповідальні відливки
СЧ 12		15	32	163-229	Рукоятки, кришки та інші невідповідальні відливки
СЧ 28		28	48	170-241	Відповідальні і складні машинобудівельні деталі
СЧ 40		40	60	207-270	Деталі, які працюють під тиском та при значних навантаженнях
Ковкі чавуни, ГОСТ 1215-85
КЧ 30-6		30	6	100-163		Картери редукторів, гаки, скоби
КЧ 35-10		35	10	100-163		Елементи карданних валів
КЧ 50-5		50	5	170-230		Ланцюги та ролики конвеєрів, тощо
КЧ 60-3		60	3	200-270		Виливки складної форми
Високоміцні чавуни ДСТУ 3925-99
ВЧ 1000-12		1000МПа	12	240-270		Середньо- та важконавантажені деталі відповідального призначення
ВЧ 800-10		800	10	240-300		Корпуси парових турбін
ВЧ 600-15		600	15	192-277		Поршні, кронштейни та інші деталі
ВЧ 900-10		900	10	270-260		Деталі прокатного, ковальсько-пресового обладнання
Чавун з вермикулярним графітом ДСТУ 3926-99
ЧВГ 300	300		5	135-170			Головки блоків циліндрів, випускні колектори
ЧВГ 400	400		4	160-200			Гальмівні диски, колінчасті і розподільчі вали
ЧВГ 500	500		2	190-250			Зубчасті колеса, корпуси турбокомпресорів, тощо

В залежності від вмісту вуглецю, пов'язаного в цементит, розрізняють: білий (область I), половинчастий (область II), перлітний сірий (область ІІІ), феритно-перлітний (область IV), феритний сірий (область V) чавуни (рис. 2.6).

Пластинчастий графіт являє собою нaдpiзи (мікротріщини), що знижують границю міцності при розтягуванні, при цьому чим більш дисперсні графітні частинки, тим вище властивості чавуну. Введення в чавун модифікаторів першого роду приводить до збільшення кількості центрів графітизації та подрібнення частинок графіту.

а) б) в)

Рисунок 2.5 – Форми графітних включень, (×1000):

а) крупнопластинчатий графіт (повільне охолодження);

б) пластівкоподібний графіт (прискорене охолодження);

в) кулькоподібний графіт (модифікований чавун).

Рисунок 2.6 – Вплив вуглецю i кремнію на структуру чавуна

(заштрихована область – найбільш поширені чавуни)

Присутність у чавунах великої кількості мікро надрізів робить їх дуже чутливими до концентраторів напруг. Графіт сприяє утворенню крихкої стружки i тим поліпшує обробку чавунів різанням. Чавуни мають високу демпфіруючу здатність (добре гасять коливання). Крім цього, графіт – гарна змазка, у зв'язку з чим він підвищує антифрикційні властивості чавуну.

Структура металевої основи впливає на межу міцності при стисненні; твердість і зносостійкість збільшуються при зростанні кількості перліту. Ферит, навпаки, зменшує міцність та зносостійкість чавунів.

Сірі чавуни використовуються як матеріал для виготовлення мало- та середньо навантажених опор, деталей сільськогосподарських машин, верстатів, автомобілів, тракторів, станин електродвигунів тощо. Згідно ГОСТ 1412-85 сірий чавун маркується літерами СЧ та цифрами, що характеризують значення границі міцності при розтягуванні. Наприклад, чавун СЧ15 має σ > 150 МПа (15 кгс/мм²). Властивості чавунів, в тому числі і сірих, можуть бути значно покращенні модифікуванням.

Модифікування – це введення спеціальних добавок при плавленні або при розливанні сплавів з метою поліпшення їх структури та властивостей. За впливом на процеси кристалізації розрізняють модифікатори I та ІІ типів. Модифікатори I типу у вигляді тугоплавких дисперсних частинок оксидів, нітридів, карбідів тощо – це додаткові центри кристалізації (графітизації). Вони зумовлюють утворення дрібного зерна або частинок графіту в сплаві. Для чавунів модифікатори I типу це – силікокальцій, алюміній; для сталей – цирконій, ніобій, ванадій, алюміній. Модифікатори ІІ типу – це поверхнево-активні речовини, їх атомний розмір набагато перевищує розмір атома, тому вони знаходяться не в твердому розчині, а на міжфазній поверхні. Внаслідок цього поверхнево-активні елементи зменшують поверхневу енергію межі поділу “рідина-тверда фаза”, що зменшує критичний розмір зародка та змінює форму. Так, наприклад, введення в ківш, в струмінь розгону або в форму поверхнево-активних елементів магнію, цезію сприяє глобуляризації часток графіту у чавуні.