Робота 2.2.6 вивчення мікроструктури чавунів

Мета роботи

1. Вивчити мікроструктуру чавунів (білого, сірого, кувального, високоміцного) у зрівноваженому стані.

2. Встановити залежність між будовою структури та властивос-тя­ми чавунів.

3. Ознайомитись із властивостями та застосуванням чавунів у народному господарстві.

Теоретичні відомості

Чавун – це сплав в системі залізо – вуглець; вміст вуглецю в сплаві 2,14...6,67 %. Класифікуються чавуни за такими ознаками:

- за призначенням (переробні йдуть на переробку в сталь та ли­варні – для виготовлення різноманітних виливок);

- за ступенем графітизації (білі – увесь вуглець у зв'язаному стані у вигляді цементиту Fe₃C, сірі – більша частина вуглецю в них знаходи­ться у вільному стані у вигляді графіту і половинчасті – вуглець частково зв’язаний у Fe₃C, а частково виділений у вигляді гра­фіту);

- за формою графітових включень (сірі – пластинчаста, кувальні – лапаті, високоміцні – кулясті);

- за структурою металічної основи (феритні, ферито-перлітні, перлітні, перлітно-цементитні);

- за хімічним складом (нелеговані, низько-, середньо- та високолеговані, що вміщують відповідно 0,3 - 3,5%, 7 - 10% і більше 10% легую­чих елементів).

На відміну від сталі хімічний склад чавунів ще не характеризує досить надійно його властивості. Структура чавуну та його основні якості залежать як від хімічного складу, так і від технологічного процесу його виробництва та режиму термічної обробки.

Білий чавун - це сплав, у структурі якого вуглець присутній тільки у вигляді цементиту Fe₃C. За структурою він поділяється на доевтектичний, евтектичний і заевтектичний. Згідно з діаграмою залізо - цементит структура доевтектичного чавуну складається з перліту, вторинного цементиту та ледебуриту. Структура евтектичного чавуну складається тільки з ледебуриту, а заевтектичного – з ледебу­риту та первинного цементиту, що виділяється у вигляді великих пластинок.

Наявність у складі білих чавунів великої кількості цементиту (НВ800 МПа) обумовлює його високу крихкість, дуже погану оброблюва­ність різанням, а отже, й обмежене застосування. В основному його перероблюють у сталь, застосовують як ливарний матеріал з доброю стійкістю в умовах абразивного зношення, за допомогою термообробки трансформують у ковкий чавун.

Сірий чавун – це сплав Fe-С-Si з домішками Мn, S і P. Вміст вуглецю в ньому коливається в межах 2,4-3,8 %. Кремній (1,2 -3,5 %) вводять спеціально – він прискорює графітизацію, має великий вплив на структуру та властивості чавуну. Сірий чавун має високі ливарні властивості, порівняно низьку температуру плавлення, хорошу рідинотекучість та ін. Технологічність при литті та такі специфічні властивості чавунних відливок, як здатність поглинати вібрації, мала чутливість до різних концентрацій напружень, досить високий опір руйнуванню під впливом стискаючих навантажень забезпечують широке застосування сірого чавуну для отримання найрізноманітніших відливок від художнього литва до масивних станин потужних верстатів.

Пластини графіту в сірому чавуні порушують суцільність металічної основи та являють собою начебто тріщини, заповнені графітом. Чим більше графіту в чавуні та крупніше його включення, тим нижчі механічні властивості чавуну (знижується пластичність при розтягуванні – δ ≈ 0,5 %, злам стає крупно - зернистим).

Подрібнення графітних включень, збільшення ступеня ізольова­ності їх один від одного підвищують міцність чавуну. Це досягається введенням спеціальних модифікацій: феросиліцію, силікокальцію і ін.

Залежно від будови металічної основи твердість сірих чавунів змінюється і може бути НВ(1430-1200) МПа. Відповідно змінюється також міцність: чим більше фериту, тим нижчі міцність і зносостійкість. Найміцніші перлітні чавуни застосовуються для відповідальних відли­вок (станини потужних верстатів, блоків двигунів, дизельних цилінд­рів тощо). Феритні та ферито-перлітні чавуни застосовуються для ви­готовлення маловідповідальних і малонавантажених деталей (фундамент­ні плити, корпуси редукторів і насосів тощо).

Сірі чавуни маркуються буквами СЧ (сірий чавун) і цифрами, що показують мінімальний часовий опір розриву при розтягу (кг/мм²). Наприклад, чавун марки СЧ12 має σ_в >12 кГ/мм², тобто 120 МПа.

Виплавляючи чавун з присаджуванням невеликої кількості (до 0,03%) магнію чи деяких інших модифікаторів, графіт у чавуні отримується кулястої форми. Він значно менше послаблює металічну основу, ніж пластинчастий. Такі чавуни називаються високоміцними.

Вони мають високі механічні властивості, здатність гасити вібрації, добре оброблюються різанням, зносостійкі, мають хороші ливарні властивості тощо. Будова їх металічної основи може бути такою самою, як і сірих чавунів.

Із високоміцних чавунів виготовляють обладнання прокатних ста­нів (прокатні валки масою до 12 т), ковальсько-пресове обладнання та багато інших відповідальних деталей.

Високоміцні чавуни маркуються буквами ВЧ (високоміцний чавун) і цифрами, що вказують його основні механічні властивості: найменша межа міцності при випробуванні на розтяг. Наприклад, високоміцний чавун марки ВЧ45 має σ_в > 45 кГ/мм².

Якщо відливки з сірого чавуну піддати відпалюванню, то цементит розпадається і графіт набуває лапатої форми. Такий чавун називаєть­ся кувальним. Залежно від будови металургійної основи кувальні чавуни бу­вають феритними та ферито-перлітними. Вони мають більш високе від­носне видовження, тому й називаються кувальними, хоча насправді кувати їх немож­ливо. Вплив лапатого графіту на механічні властивості чавуну приблиз­но такий самий, як і кулястого, він зміцнює чавун.

Із феритних кувальних чавунів виготовляють вироби, що працюють при високих статичних і динамічних навантаженнях (задні мости, маточини коліс), і менш відповідальні деталі (гайки, фланці муфт, хомути). Із ферито-перлітного ковкого чавуну виготовляють вилки кар­данних валів, кільця та рамки ланцюгів конвеєрів, втулки та інші вироби.

Маркується кувальний чавун буквами КЧ (кувальний чавун) і цифрами, що вказують основні механічні властивості: найменшу межу міцності при випробуванні на розтяг. Наприклад, чавун марки КЧ35 має σ_в >35 кГ/мм² .

Послідовність виконання роботи

1 Вивчити під мікроскопом структуру чавуну у нетравленому стані і дати висновок щодо виду чавуну (білого, сірого, ковкого, високоміцного).

2 Виконати травлення кількох підготовлених шліфів зразків чавуну.

3 Вивчити під мікроскопом структуру чавуну після травлення та дати висновок щодо його основи (феритна, ферито-перлітна, перлітна).

4 За спостереженнями на мікроскопі визначити, виходячи з будови основи чавуну, приблизний вміст зв'я­заного вуглецю в ньому та, враховуючи форму і розміри графітних включень, орієнтовно визначити марку цього чавуну.

5 Використовуючи довідкову літературу, виписати для передба­чуваних марок чавунів їх хімічний склад і механічні властивості (таблиця 2.10).

Таблиця 2.10 – Хімічний склад та механічні властивості марок чавуну

№ зразка

Форма графіт­них вклю-чень

Будова основи

Орієн- товна марка чавуну

Хімічний склад, %.

Механічні властивості

С

Si

Mn

Mg

S

Р

σв , МПа

δ, %

HB, МПа

не біль­ше

6 Встановити вплив форми графітних включень і будову основи чавуну на його механічні властивості.

7 Скласти письмовий звіт про виконану роботу.

Зміст звіту

1 Назва та мета роботи.

2 Зарисовки мікроструктур білого, сірого, ковкого, високоміцного чавунів у зрівноваженому стані до і після травлення із зазначенням структурних складових і описом цих структур.

3 Заповнена таблиця 2.10.

4 Визначення приблизного вмісту зв’язаного вуглецю в основі чавунів, що вивчаються, та опис впливу будови основи чавуну, форми та розмірів графітних включень на властивості чавуну.

Контрольні запитання

1. Як класифікуються чавуни? їх маркування.

2. Структурні складові білих, сірих, ковких і високоміцних чавунів і їх вплив на механічні властивості чавуну.

3. Форма і розміри графітних включень і їх вплив на механічні властивості чавунів.

4. Як будова основи чавунів впливає на їх механічні властивості?

5. Як можна визначити вид чавуну, використовуючи фотографії мікроструктур?

6. В яких галузях народного господарства застосовуються чавуни?