§ 6. Класифікація чавунів.

Вуглець може в чавуні перебуває як у зв'язаному стані у вигляді цементиту, так і у вільному - у вигляді графіту.

Чавун, у якому весь вуглець перебуває у зв'язаному стані у вигляді цементиту, називається білим. Його злам має специфічний світлий блиск через наявність цементиту.

Чавун, у якому весь або частина вуглецю перебуває у вільному стані у вигляді графіту, називається сірим. Графить надає зламу такого чавуну сірі кольори.

Залежно від форми графіту й умов його утворення розрізняють чавун: сірий, високоміцний і ковкий.

Сірий чавун.

Найбільш широке застосування знайшли сірі чавуни, що містять 2,4...3,8% С. Чим вище зміст вуглецю, тим більше утвориться графіту й тем нижче його механічні властивості. У зв'язку із цим зміст вуглецю не перевищує 3,8% С. У той же час для забезпечення гарних ливарних властивостей вуглецю повинне бути не менш 2,4% С.

На властивості чавунів впливають постійні домішки.

Кремній, зміст якого в сірих чавунах перебуває в межах 1,2...3…3,5%дуже впливає на властивості чавуну.

Охолодження чавуну в реальних умовах відрізняється від рівноважних. Структура чавуну при цьому залежить від хімічного складу (змісту С и Si) і швидкості кристалізації.

Кремній сприяє процесу графітизації. Шляхом зміни змісту в чавуні вуглецю й кремнію з однієї сторони й, з іншого боку, швидкості охолодження, можна одержати різну структуру металевої основи чавуну.

Кількість марганцю в чавуні не перевищує 1,25...1…1,4%Марганець перешкоджає процесу графітизації й підвищує здатність чавуну до відбілювання (появі структури білого або половинчастого чавуну, особливо в поверхневих шарах).

Сірка є шкідливою домішкою, погіршує механічні й ливарні властивості чавуну, тому її зміст обмежують до 0,1...0,2%.

Зміст фосфору в сірому чавуні близько 0,2%, але іноді допускається до 0,5% (художнє лиття). При підвищенні змісту фосфору в структурі утвориться фосфориста эвтектика, що поліпшує ливарні властивості, збільшуючи при цьому крихкість.

Чавуни класифікуються за структурою металевої основи, від якої залежить кількість зв'язаного вуглецю, що визначає й кількість вільного вуглецю у вигляді графіту.

Розрізняють наступні види чавуну:

1. перлітний сірий чавун - має структуру перліт і пластинчастий графіт. У цьому чавуні зв'язаний вуглець у кількості 0,7...0,8% перебуває у вигляді цементиту, що входить до складу перліту;

2. феррито-перлитный сірий чавун - має структуру феррит, перліт і пластинчастий графіт. У цьому чавуні залежно від ступеня розпаду эвтектоидного цементиту у зв'язаному стані перебуває від 0,7 до 0,1% З;

3. ферритный сірий чавун - має структуру феррит і пластинчастий графіт. У цьому випадку майже весь вуглець перебуває у вигляді графіту;

4. половинчастий чавун - більша частина вуглецю (понад 0,8%) перебуває у вигляді цементиту. Структура - перліт, ледебурит і пластинчастий графіт або перліт, цементит і пластинчастий графіт.

Процес графітизації протікає тим повніше, ніж повільніше охолодження. У виробничих умовах швидкість охолодження характеризується товщиною стінки виливка. Ніж тонше виливок, тим швидше охолодження й у меншому ступені протікає процес графітизації, тим більше потрібно вуглецю й кремнію.

Механічні властивості чавуну обумовлені його структурою, головним чином, графітної складової. Графить відіграє роль надрізів у металевій основі чавуну, тому механічні властивості чавуну будуть залежати від кількості, величини й характеру розподілу графітних включень.

Чим менше графітних включень і чим вони дрібніше, тим вище міцність чавуну. Пластинки графіту зменшують опір відриву, межа міцності й особливо пластичність чавуну. Відносне подовження при розтяганні сірого чавуну практично дорівнює 0 (0,5%). Графітні включення мало впливають на зниження межі міцності при стиску й твердості, тому чавун рекомендується використати переважно для виробів працюючих на стиск.

Менш значно графить знижує міцність при вигині. Твердість чавуну НВ 140...255.

Графить підвищує зносостійкість і антифрикційні властивості чавуну внаслідок власного “” дії, щозмазує, і підвищення міцності плівки змащення.

Графить поліпшує оброблюваність різанням, збільшуючи ламкість стружки.

Металева основа чавуну в сірому чавуні забезпечує найбільшу міцність і зносостійкість, якщо вона має перлітну структуру. Присутність у структурі феррита, не збільшуючи пластичності й в'язкості, знижує міцність і зносостійкість. Найнижчими механічними властивостями володіє ферритный сірий чавун.

Сірий чавун маркірують буквами З - сірий Ч - чавун, після букв випливають цифри, які вказують середню величину межі міцності при розтяганні.

Сірі чавуни по властивостях і застосуванню можна розділити на наступні групи:

1. Ферритные й феррито-перлитные сірі чавуни (СЧ 00, СЧ 12, СЧ 15, СЧ 18).Структура чавунів перліт, феррит і графить грубої або середньої величини. Ці чавуни застосовують для виготовлення малоответственных деталей, що випробовують невеликі навантаження при роботі (малонагруженные деталі сільгоспмашин, верстатів, автомобілів, фундаментні плити й ін.).

2. Перлітні чавуни (СЧ 21, СЧ 24, СЧ 28, СЧ 32, СЧ 36, СЧ 40) застосовують для виливка станин потужних верстатів і механізмів, поршнів, циліндрів, деталей працюючих на зношування в умовах більших тисків: блоки двигунів, компресорне, турбінне лиття. Структура таких чавунів - мелкопластинчатый перліт із дрібними завихренными включеннями графіту.

До перлітних чавунів ставляться так називані сталисті й модифіковані чавуни.

Сталисті чавуни (СЧ 24, СЧ 28) одержують виплавкою з додаванням у шихту 20...30…30%сталевого лома. Чавуни мають знижене змісту вуглецю, що забезпечує одержання більше дисперсної перлітної основи з меншою кількістю графітних включень.

Модифіковані чавуни (СЧ 32, СЧ 36, СЧ 40, СЧ 44) одержують при додаванні в рідкий чавун перед розливанням спеціальних добавок – модифікаторів (ферросилиций, силикокальций). Модифікування застосовують для одержання в чавунних виливках з різною товщиною стінок перлітної металевої основи із вкрапленням невеликої кількості ізольованих пластинок графіту середньої величини. Модифікуванню піддають низкоуглеродистый чавун, що містить невелику кількість кремнію й підвищений зміст марганцю й, що має без введення модифікатора структуру половинчастого чавуну, тобто П + Л + Г.

Антифрикційні чавуни застосовують для виготовлення підшипників ковзання, втулок і ін. деталей, що працюють при терті об метал, частіше в присутності змащення. Ці чавуни повинні забезпечувати антифрикционность, тобто малий коефіцієнт тертя. Ці властивості чавуну визначаються співвідношенням перліту й феррита в основі, а також кількістю й формою графіту. Бувають наступні марки такого чавуну: АЧС-1, АЧС-2, АЧС-3. Деталі, що працюють у парі із загартованими або нормалізованими сталевими валами, виготовляють із перлітних чавунів АЧС-1, АЧС-2, для роботи в парі з термічно неопрацьованими валами - АЧС-3.

Білий і вибілений чавун.

Білий чавун внаслідок присутності в ньому цементиту має високу твердість, тендітний і практично не застосовується для виготовлення деталей. Основна його кількість іде на переробку в сталь.

Вибіленими називаються чавунні виливки, у яких поверхневі шари мають структуру білого (або половинчастого) чавуну, а серцевина – сірого чавуну. Між цими зонами може бути перехідний шар. Отбел на деяку глибину (12...30 мм) є наслідком швидкого охолодження поверхні, що виникає в результаті виливка чавуну в кокіль або в піщану форму.

Висока твердість поверхні (НВ 400...500) спричиняється гарну опірність проти зношування, особливо абразивного, тому з вибіленого чавуну виготовляють прокатні валки для листових станів, колеса, кулі для млинів. Його сполука: 2,8...3,6% З; 0,5...0,8% Si; 0,4...0,6% Мn.

Високоміцний чавун.

Одержують присадкою в рідкий чавун невеликих добавок магнію (0,03...0,07% від маси металу ). По змісту інших елементів цей чавун не відрізняється від звичайного сірого.

Під дією магнію графить у процесі кристалізації приймає не пластинчасту, а кулясту форму. Кулястий графіт, що має мінімальну поверхню, значно менше послабляє металеву основу чавуну, чим пластинчастий графіт. Чавуни з кулястим графітом мають більше високі механічні властивості, що не уступають литий стали, зберігаючи при цьому гарні ливарні властивості й оброблюваність різанням, здатність гасити вібрації, високу зносостійкість.

Маркірують високоміцні чавуни буквами ВЧ і цифрами, які вказують значення межі міцності на розтягання й відносне подовження: ВЧ 50-2, ВЧ 60-2, ВЧ 45-5 і тд.

За структурою металевої основи вони можуть бути такими ж, як і звичайні сірі чавуни.

Виливка з високоміцного чавуну широко використають у народному господарстві: колінчаті вали, кришки циліндрів, деталі прокатних станів, корпуса насосів і т.д.

Ковкий чавун

Одержують тривалим нагріванням при високих температурах (отжигом) виливків з білого чавуну. У результаті отжига утвориться графіт пластівчастої форми. Такий графіт у порівнянні із пластинчастим менше знижує міцність і пластичність металевої основи, що може бути й ферритной і рідше – перлітної. Найбільшою пластичністю володіє ферритный ковкий чавун, що і застосовують у машинобудуванні.

Чавун має знижений зміст вуглецю й кремнію. Отжиг проводять у дві стадії. Спочатку виливка, упаковані в ящики з піском, витримують при 950…970ºС. У цей період протікає I стадія графітизації, тобто розпад цементиту, що входить до складу ледебуриту й установлення стабільної рівноваги А + Г. У результаті розпаду цементиту дифузійним шляхом утвориться пластівчастий графіт (вуглець отжига). Потім виливка прохолоджують до температур, що відповідають інтервалу эвтектоидного перетворення. При охолодженні відбувається виділення з аустеніту Ц_II , його розпад і в підсумку ріст графітних включень. При досягненні эвтектоидного інтервалу температур охолодження різко сповільнюють або дають тривалу витримку при температурі трохи нижче цього інтервалу. У цей період протікає II стадія графітизації: розпад аустеніту з утворенням ферритографитной структури або розпад цементиту, що входить до складу структури перліт, з утворенням Ф + Г ( у процесі витримки нижче эвтектоидной температури). Після закінчення II стадії графітизації структура чавуну Ф + пластівчастий графіт. Злам його бархатистий-чорний внаслідок великої кількості графіту. Якщо не проводити витримку нижче эвтектоидной температури, то утвориться перлітний ковкий чавун (П + Г), що має світлий сталистий злам.

Ковкий чавун маркірують буквами КЧ і цифрами, які вказують межа міцності на розтягання й відносне подовження. Виливка з ковкого чавуну застосовують для деталей, що працюють при ударних і вібраційних навантаженнях. Ферритные ковкі чавуни КЧ 37-12, КЧ 35-10 використають для деталей, експлуатованих при високих динамічних і статичних навантаженнях (картери редукторів, маточини, скоби). Твердість ферритного чавуну НВ 165.

Перлітний ковкий чавун КЧ 50-4, КЧ 56-4, КЧ 60-3 має високу міцність і помірну пластичність і гарні антифрикційні властивості. Твердість його НВ241...269. З нього виготовляють качани карданних валів, ланки й ролики ланцюгів конвеєра, втулки, муфти, гальмові колодки й т.д.