Процес графітизації 1

Кристалізація графіту або цементиту відбувається з рідини або з аустеніту. Кристалічні решітки аустеніту (ГЦК) і цементиту (ОЦК вбудована в ГЦК) схожі, а аустеніту і графіту (гексагональна) - різні. Тому в рівноважних умовах легше буде проходити кристалізація аустеніту в цементит. А для освіти графіту потрібні або спеціальні умови (графітизація) або модифікація.

Графитизация - термочасових витримка при температурах вище і нижче лінії PSK. Відомо, що цементит при нагріванні розкладається на залізо і графіт. Т.ч. можна уявити два шляхи освіти графіту в чавунах:

Безпосереднє освіту графіту може відбуватися при наявності в рідині готових центрів кристалізації графітової фази;

Утворення графіту розкладанням раніше утворився цементиту (рис. 12.3).

У ливарному цеху під час плавки чавуну застосовуються шихтові матеріали, паливо і флюси (для отримання нев'язкого текучого шлаку даного складу). Крім цього для отримання чавуну заданого хімічного складу застосовуються різні феросплави. При виробництві модифікованого чавуну з пластинчастим графітом вводиться феросиліцій і силикокальций, для кулястого-наприклад, сплав магнію з кремнієм і залізом. При виробництві того чи іншого чавуну ведеться розрахунок шихти з урахуванням чаду марганцю і кремнію.

Мал. 12.3. Схема освіти структур при графітизації

Графітові включення розглядаються як порожнечі. Це, свого роду дефекти, навколо яких виникають напруги. У найбільшій мірі разупрочняется метал графітові включення пластинчастої форми. Т.ч. чавун - сталь з великою кількістю мікротріщин. Графітові включення - концентратори напружень і при розтягуючих навантаженнях від них розвивається тріщина. Тому межа міцності при розтягуванні у чавунів в 5 разів менше, ніж у сталей. При стискають навантаженнях краю графітових включень спресовуються і їх негативна роль не проявляється і межа міцності на стиск у чавунів такий як у сталі. Наявність графіту різко знижує опір матеріалу при жорстких способах навантаження: опір розриву, удару. У сірих чавунів виявляється занижена пластичність до 0,5%, у ковких - 5-10%, високоміцних - до 15%. Незважаючи на все це, у графіту є позитивні сторони:

графіт покращує оброблюваність різанням, тому що утворюється ламка стружка;

в порівнянні зі сталлю чавун має кращі антифрикційні властивості і низький коефіцієнт тертя, тому що наявність графіту забезпечує додаткову мастило поверхонь тертя;

через мікропорожнеч, заповнених графітом, чавун добре гасить вібрації і резонансні коливання і має підвищену циклічну в'язкість;

деталі з чавуну не чутливі до зовнішніх концентраторів напружень (виточки, переходи в перетинах, отвори), до яких сталь дуже чутлива;

чавун дешевше стали.

12.12. Структура і властивості чавунів

Білий чавун - це чавун, в якому весь вуглець знаходиться у зв'язаному стані. Білий чавун для виготовлення деталей машин не використовують, оскільки він має високу твердість (НВ = 450-550), крихкий і практично не піддається обробці ріжучим інстр-рументом. Злам білого чавуну білий, тому що він складається в основному з ледебуріта.

Половинчастий чавун - це чавун, в якому вуглець частково знаходиться в зв'язаному стані, а інша його частина вільна (в ві-де графіту). Цей чавун, як і білий, не використовується для виготов-лення деталей машин. Його чавун отримують після доменного виробництва, тому що кремній сприяє утворенню графіту, а марганець - утворення цементиту. При підвищеному вмісті кремнію, який сприяє утворенню графіту, отримують сірий чавун з довгими пластинами, які сприяють утворенню мікротріщин.

Сірий чавун - чавун, в якому майже весь вуглець знаходиться у вільному стані (графіт). Назва сірий чавун отримав за кольором зламу. У мікрострук-турі чавуну розрізняють металеву основу (ферит, ферит + перліт, перліт) і графітні включення у вигляді пластин, пластівців, сферолітів (куль) - рис. 12.4.

Мал. 12.4. Мікроструктура чавуну з різною формою графіту

Розрізняють: звичайний сірий чавун (містить пластинчасті форми графіту), ковкий чавун (містить графіт у вигляді пластівців), високоміцний чавун (містить графіт у вигляді сферолітів - кулястої форми).

Сірий, ковкий і високоміцний чавуни є широко рас-рення і дешевими ливарними конструкційними мате-ріалами.

У певних випадках наявність графіту дає перевагу чавуну перед сталлю: хороші ливарні властивості, оброблюваність чавуну різанням, хороші антифрикційні властивості, стійкість поверхні до надрізів і т.д.

Звичайні сірі чавуни містять крім вуглецю (графіту), кремній, мар-ганець, фосфор, сірка та ін. Супутні домішки, які впливають на його структуру і властивості.

Сірий звичайний чавун маркується літерами С (сірий) і Ч (чавун) і 2 цифрами, що показують межа міцності при розтягуванні і опір вигину в кг / мм 2. Стандартні марки чавунів (ГОСТ 1412-85): СЧ10-28, СЧ24-44, СЧ32-52.

Хімічний склад чавунів стандартних марок:

Сірі звичайні: 2,9-3,7% С, 1,2-2,6% Si; 0,5-1,1% Мn; не більше 0,2-0,3% Р і 0,12-0,15% S.

З огляду на механічні властивості, слід застосовувати сірі чавуни для деталей, що піддаються стискає і, в гіршому випадку, згинаючих навантажень.

По виду металевої основи (рис. 12.5) звичайний сірий чавун може бути перлітним (СЧ 44-64), ферито-перлітним, феритного (СЧ 12-28).

Мал. 12.5. Мікроструктура сірого чавуну

Для найбільш відповідальних деталей застосовуються перлітні чавуни. Найбільші механічні мають модифіковані чавуни. У ківш з рідким чавуном вводять модифікатор - феросиліцій, силикокальций і ін. Які складають 0,4-0,8% від маси рідкого чавуну, попередньо подрібнених до 2-10 мм. При затвердінні такий чавун має сприятливу форму графіту - дрібних завихрення пластин і перлитную структуру металевої основи.

З сірих чавунів виготовляють деталі, що піддаються стискає навантажень або невеликим изгибающим: гільзи, поршневі кільця, станини, диски зчеплення, сідла клапанів, головки циліндрів, товари масового споживання і т.д.

Високоміцні чавуни маркують BЧ40-10, ВЧб0-2 (перша цифра -предел міцності при розтягуванні, остання цифра - відносне подовження в%) і т.д. Склад - металева основа (перліт, перлито-ферит або ферит) і кулястий графіт. При кулястої формі окремі графітові включення роз'єднані, завдяки чому підвищуються механічні властивості. Ці чавуни мають ще й підвищеною пластичністю і вони з успіхом застосовуються для відливання відповідальних деталей важко навантажених деталей машин, які вигідно відрізняються сталеві виливки. Чавуни з перлітною основою мають високі показники міцності при високій ударної в'язкості.

0,4-0,6%) застосовуються такі поверхнево-активні речовини, як магній, церій, кальцій і ін. Сприяють утворенню кулястого графіту (відбувається утворення сполук з вуглецем і дислокаційних механізмом нашарування на нього атомів графіту по спіралі). Присадка магнію в відкриті ковші супроводжується бурхливим кипінням і викидом металу (магній горючий), тому обробка чавуну ведеться в закритих ковшах. Нещодавно стали обробляти в відкритих ковшах і застосовувати важкі лігатури магній-церій-залізо.

Високоміцні чавуни набувають все більшого застосування за рахунок підвищення механічних властивостей модифицированием. Такі чавуни мають межу міцності до 1200 МПа і відносне подовження до 17%. У порівнянні зі сталями з такими ж властивостями чавуни мають велику перевагу - деталі можна виготовляти литтям, а сталеві вироби - зварюванням або обробкою тиском. Єдина обробка - це видалення припусків і напусків, що прекрасно переносить чавун при великих швидкостях різання.

У порівнянні з сірими чавунами деталі з високоміцного чавуну з такими ж характеристиками міцності властивостями мають меншу масу, тому можна виготовляти тонкостінні деталі.

Застосування: каналізаційні та ін. Труби, валки прокатних станів, виливниці, резцедержатели, інші деталі верстатів і т.д.

Ковкі чавуни маркують КЧ30-6 (перша цифра - межа міцності при розтягуванні, остання цифра - відносне подовження в%), КЧЗЗ-8, КЧ35-10 і т.д.

Склад КЧ: 2,5-3,0% С; 0,7-1,5% Si; 0,2-1,0 Мn; до 0,2% S; до 0,18% P.

Такий чавун виходить в процесі тривалого відпалу при температурах 950-1000 0 С з білого чавуну. З білого за допомогою коагуляції карбідів і розкладання цементиту на суміш фериту і пластівчастого графіту за рахунок виділення великої внутрішньої енергії всередині карбідів. Залежно від способу плавки ковкий чавун може бути з феритної основою (при повній графитизации 3-4 діб) і перлитной основою (при графітизації з одночасним обезуглероживание). Найкращі механічні та технологічні властивості набувають перлітні чавуни за рахунок дисперсності.

Легований чавун. Залежно від складу легуючих елементів: низьколеговані - до 2,5%; середньолеговані - 2,5-10%; високолеговані - вище 10% легуючих елементів. До складу низьколегованого чавуну входять хром, нікель, мідь і рідше молібден. Застосовується для тонкостінних деталей відповідальних машин. Середньолеговану - зносостійкий при підвищених температурах, високолегований - коррозионностойкий, жаростійкий, немагнітний.

Антіфрікационним чавуни маркують ЛЧС-1, ЛЧС-2, ЛЧС-3 і т.д. (1,2,3 - порядкові номери по ГОСТу, С-сірий чавун), АЧВ - високоміцний, АЧК - ковкий чавун. Ці чавуни використовуються для виготовлення литих виробів (підшипників ковзання та ін.), Рабо-танучих в вузлах тертя з мастилом (малі втрати на тертя і мала швидкість зношування (сталевого вала).

Вибілений чавун має на поверхні структуру білого чавуну, а в серцевині - структуру сірого чавуну. Отбел (до 12-30 мм глибини) є наслідком швидкого охолодження поверхні при литві чавуну в кокілі, земляні форми. Вибілений чавун обла-дає високу твердість поверхні і таким чином високою зносостійке-стю (в умовах абразивного зносу). Вибілений чавун застосовують для виготовлення коліс і т.д ..