2. Класифікація чавунів залежно від форми графіту і умов його утворення. Вплив вуглецю і постійних домішок на структуру і механічні властивості чавунів

Сплав заліза з вуглецем > 2,14% називають чавуном. Вуглець в чавуні може знаходитися у вигляді цементиту або графіту, або одночасно у вигляді цементиту і графіту. Залежно від форми графіту і умов його утворення розрізняють наступні групи чавунів: сірий - з пластинчастою формою графіту, високоміцний - з кулястою, ковкий - з пластівчастою.

Сірий чавун (технічний) є по суті сплавом Fe-Si-C, що містить як неминучі домішки Mn, S і Р. В структурі сірих чавунів велика частина або весь вуглець знаходиться у вигляді графіту. Найбільш широке вживання отримали доевтектоїдні чавуни, що містять 2,4-3,8% С: чим вище вміст в чавуні вуглецю, тим більше утворюється графіту і тим нижчі його механічні властивості.

Високоміцний чавун отримують присадкою в рідкий чавун невеликих добавок деяких лужних або лужноземельних металів (сфероідизуючі модифікатори). Частіше для цієї мети застосовують магній в кількості 0,03-0,07%. Під дією магнію графіт в процесі кристалізації набуває не пластинчастої, а кулевидної форми. Чавуни з кулевидним графітом мають вищі механічні властивості, не поступаючи литій вуглецевій сталі, зберігаючи при цьому хороші ливарні властивості і оброблюваність різанням.

Ковкий чавун отримують тривалим нагрівом при високих температурах з білого чавуну. В результаті відпалу утворюється графіт пластівчастої форми. Такий графіт в порівнянні з пластинчастим менше знижує міцність і пластичність металевої основи структури чавуну. Металева основа ковкого чавуну: ферит і рідше перліт. Найбільшою пластичністю володіє феритний ковкий чавун, який застосовують в машинобудуванні.

Чавун – це багатокомпонентний сплав, до складу якого, крім Fe i C, входять Si, Mn, P, S. Для цілеспрямованого впливу на процес отримання білих або сірих чавунів необхідно знати як впливають ці елементи на процес графітизації, тобто на процес утворення графіту. Вуглець і кремній є сильними графітизуючими елементами. Тому для отримання сірого чавуну слід збільшувати кількість кремнію, а білого – зменшувати його вміст. Марганець, навпаки, утруднює процес графітизації чавуну і сприяє отриманню структури білого чавуну. Це пов’язано з тим, що Mn - карбідоутворюючий елемент. Тому вміст марганцю в сірих чавунах не повинен перевищувати 1,25%. Сірка є шкідливою домішкою у чавуні. Вона погіршує ливарні властивості та утруднює процес графітизації чавуну, тому вміст сірки в сірих чавунах обмежується 0,15%. Фосфор практично не впливає на процес графітизації чавуну, але підвищує його рідко текучість, що пов’язано з утворенням легкоплавкої евтектики. Крім того, фосфідна евтектика має високу твердість, завдяки чому підвищується зносостійкість сірого чавуну, а також його крихкість. Звичайно вміст фосфору в сірому чавуні не перевищує 0,3…0,4%.

3. Фазові перетворення в сплавах заліза (теорія термічної обробки)

Перетворення, які відбуваються в сталі при нагріванні. При нагріванні в сталях відбуваються фазові перетворення, які закінчуються утворенням аустеніту. До нагрівання ці структури мають, відповідно, структури перліту й фериту, перліту, перліту та вторинного цементиту. При нагріванні вище вказаних температур відбуваються два процеси: алотропічне перетворення Fе_α - Fе_γ з утворенням аустеніту і розчинення в ньому надлишкових складових: у доевтектоїдних сталях - фериту, в заевтектоїдних - вторинного цементиту.

Нагрівання сталі для одержання аустеніту є першою технологічною опе­рацією при проведенні відпалювання другого роду, нормалізації і гартування.

Утворення аустеніту при нагріванні підпорядковується загальним законам вторинної кристалізації. Зерна аустеніту ви­никають на поверхнях поділу фериту і вторинного цементиту й в середині зе­рен перліту. Число зерен аустеніту, які виникають залежить від температури нагрівання: чим вона вища, тим більше утвориться зерен аустеніту. Тому сталь нагрівають трохи вище температур фазових перетворень (на 30…50 ^оС).

Після закінчення перетворення перліту в аустеніт сталь має дрібнозернисту будову. Значне перевищення температури нагрівання чи збільшення часу витримки сприяє росту дрібних зерен і може призвести до зайвого росту зерен аустеніту. Це небажано, тому що розмір зерна аустеніту, отриманого в даних конкретних умовах нагрівання, має великий вплив на структуру сталі та її механічні вла­стивості при наступних операціях термічної обробки.

Перетворення, які відбуваються в сталі при охолодженні.Охолодження сталі є найважливішою операцією термічної обробки. При переохолодженні аустеніту відбувається його розпад. Чим вища швидкість охолодження, тим більша ступінь переохолодження аустеніту і його розпад відбувається при нижчих температурах. Якщо ступінь переохолодження аустеніту невелика, тоді він повністю розпадається на механічну суміш ферита і цементита різної ступені дисперсності. Цей процес називають перлітним перетворенням; після нього можна отримати як рівноважну структуру (перліт), так і нерівноважні (сорбіт і троостит гартування). Перлітне перетворення відбувається при порівняно високих температурах і тому є дифузійним процесом. При великій ступені переохолодження аустеніта дифузія зменшується і відбувається бездифузійний процес розпаду аустеніта з утворенням ще однієї нерівноважної структури – мартенсита і процес називається мартенситним перетворенням. З підвищенням ступені переохолодження аустеніта дисперсність перліта збільшується. Таким чином, структури перліта, сорбіта і троостита, будучи механічними сумішами ферита і цементита, відрізняються тільки ступенем дисперсності пластинок цементита. Мартенситне перетворення докорінно відрізняється від перлітного. При великій ступені переохолодження в аустеніті практично миттєво виникають голки (пластинки) мартенсита, але наступного їх росту не спостерігається. Мартенсит є твердою і крихкою складовою. Розпад аустеніта може протікати як при безперервному охолодженні, так і при постійній температурі.

Мартенситне перетворення може відбуватися лише в тому випадку, якщо буде виключена можливість протікання дифузійних процесів, для чого необхідна велика ступінь переохолодження аустеніта. Це досягається високою швидкістю охолодження сталі (сотні градусів у секунду). При менших швидкостях охолодження в загартованих сталях будуть спостерігатися структури сімейства перлітів - сорбіт і троостит гартування. Швидкість охолодження, при якій в структурі сталі утворюється мартенсит, називають критичною швидкістю гартування.