Структура і властивості чавунів
Чавуну називають залізовуглецевих сплави, що містять більше 2,14% вуглецю. У машинобудуванні чавун є одним з основних ливарних матеріалів, що пояснюється перш за все його гарні ливарні і властивостями міцності. Він не піддається обробці тиском. Головним фактором, що визначає властивості, а, слідчий-но, і область застосування чавуну, є його структура, яка може бути різноманітною.
За структурою чавуни ділять на білі, сірі, ковкі і високоміцні.
9.1. Білі чавуни.
Білим називається чавун, в якому весь вуглець знаходиться в хімічно зв'язаному стані у вигляді цементиту Fe3 C, який надає зламу чавуну білий блискучий колір.
Фазові перетворення в цих чавунах протікають згідно метастабільною діаграмі Fе - Fe3 С (див. Рис.23). За структурою білі чавуни діляться на:
а) доевтектичні, що містять від 2,14 до 4,3 С. Вони складаються з перліту, ледебуріта і вторинного цементиту, що виділяється із зерен аустеніту в інтервалі температур від тисяча сто сорок сім ° (лінія ЄС) до 727 ° (лінія SК). Вторинний цементит зливається з цементитом ледебуріта і може бути не видно на мікрошліф як самостійна структурна складова (рис. 51, а);
б) евтектичних, що містить 4,3% С. Він складається з евтектики -ледебуріта, що представляє собою механічну суміш цементиту і перліту (рис. 51, б);
в) заевтектичних, що містять від 4,3% до 6,67% С. Вони складаються з первинного цементиту, що виділяється у вигляді великих пластин і ледебуріта (рис. 51, в).
Мал. 51.Структура білого чавуну: а) доевтектичний б) евтектичного в) заевтектичних
У мікроструктурі білого чавуну міститься багато цементиту, поетів-тому він дуже твердий і крихкий, але добре чинить опір зносу. Він майже не піддається обробці різанням (за винятком абразивного), тому білі чавуни не знаходять безпосереднього застосування в машинобудуванні, їх використовують рідко, тільки для виготовлення дета-лей, що працюють в умовах підвищеного абразивного зношування (деталі гідромашин, пескометом і ін.). Будучи головним продуктом доменної плавки, цей чавун використовується вметаллургіі для переділу в сталь (переробний чавун). У незначній кількості білий чавун застосовується також для отримання ковкого чавуну.
9.2. Сірі чавуни.
Сірим називається чавун, в якому вуглець перебуває у вигляді гра- фіта, що має форму злегка вигнутих пластин або лусочок, або розгалужених розеток з пластинчастими пелюстками. Внаслідок великої кількості графіту в структурі такої чавун в зламі має сірий колір.
Кремній сприяє процесу графітизації, зменшує усадку, кремній входить до складу фериту, утворюючи з # 945; -заліза твердий розчин заміщення.
Марганець підвищує схильність чавуну до збереження цементиту, а отже, і збільшує твердість чавуну.
Сірка - шкідлива домішка чавунів, вона підвищує їх твердість і крихкість в 5-6 разів більше, чемMn і значно погіршує ливарні властивості.
Фосфор в невеликих кількостях в чавунах є корисною домішкою (на відміну від сталей), покращує ливарні властивості сірого чу- гуна, так як фосфор утворює евтектику Fe + Fe2 P, що плавиться при тем- пературі 983 ° С, що є цінним для виробництва тонкостінної дуття. Хімічний склад сірих чавунів: 2,5 ... 4% С; 1,0 ... 4,8% Si; 0,5 ... 0,7% Mn; до 0,12% S; 0,2 ... 0,5% P.
За структурою металевої основи сірі чавуни підрозділяють в основному на наступні групи;
1. Перлітний. Структура П + ПГ (пластинчастий графіт), металева основа - П, а кількість зв'язаного вуглецю (Fe3 C) дорівнює евтектоїдной концентрації 0,8% (рис. 52, а).
2. Феритний-перлітні. Структура Ф + П + ПГ, металева основа їх складається з Ф + П, а кількість Fe3 C менше евтектоїдной концентрації (рис. 52, б).
3. Феритні. Структура Ф + ПГ. Основа їх складається з Ф. а Fe3 C = 0 (рис. 52, в).
Ріс.52.Структура сірого чавуну: а) перлитного б) ферритно-перлітного в) ферритного
Механічні властивості чавуну залежить від властивості металевої основи, кількості і розмірів графітних включень. При констру-вання деталей машин слід враховувати, що сірі чавуни працюють на стиск краще, ніж на розтяг. Вони мало чутливі до надрізів при циклічному навантаженні, добре поглинають коливання при вібраціях, мають високі антифрикційні властивості через здатності, що змазує графіту. Сірі чавуни добре обробляються різанням, дешеві та прості у виготовленні. Поряд з цими позитивними властивостями вони мають порівняно невисоку міцність і надзвичайно низьку пластичність.
Марка сірого чавуну складається з букв СЧ (сірий чавун) і цифри, яка б показала зменшене в 10 разів значення (в мегапаскалях) тимчасового опору при розтягуванні (табл.7).
Міцність чавуну істотно залежить від товщини стінки виливки. Зазначене в марці значення # 963; в відповідає відливок з товщиною стінки 15 мм. При збільшенні товщини стінки від 15 до 150 мм міцність і твердість чавуну зменшуються майже в два рази.
Графіт, погіршуючи механічні властивості, в той же час надає чавунів ряд цінних властивостей. Він подрібнює стружку при обробці ре- пізнанням, надає пом'якшувальну дію і, отже, підвищує з- носостойкость чавунів, надає їм демпфуючу здатність. Крім того, пластинчастий графіт забезпечує малу чутливість чугу- новий до дефектів поверхні. Завдяки цьому опору втоми чавунних і сталевих деталей співмірні.
Згідно ГОСТ 1412-85 виливки виготовляють з сірого чавуну наступних марок: СЧ10, СЧ15, СЧ18, СЧ20, СЧ25, СЧ30, СЧ35. Цифри в позначенні марки відповідають мінімальній межі міцності при розтягуванні ( # 963; ст. кгс / мм 2). Чавун СЧ10 - феритний, а починаючи з СЧ25 і більш - перлітні, проміжні - ферритно-перлітні.
З феритних чавунів виготовляють в основному невідповідальні деталі, до яких пред'являються головним чином вимоги хорошій оброблюваності різанням, а не міцності, наприклад, плити, вантажі, корита, кришки, кожухи та ін.
З ферритно-перлітних чавунів в автомобілебудуванні виготовляють картери, гальмівні барабани, кришки, поршні, поршневі кільця, великі шківи, зубчасті колеса та ін.
З перлитових - блоки циліндрів, гільзи, маховики і ін. В верстатобудуванні сірий чавун є основним конструкційним матеріалом (станини верстатів, столи і верхні санчата, шпиндельні бабки, колонки, каретки і т.д.), К зносостійким відноситься вибілений сірий чавун (0 год ), що має тонкий поверхневий шар зі структурою білого чавуну. застосовується для виготовлення виливків прокатних валків, вагонних коліс і т.д.
Назва "ковкий чавун" є умовним, оскільки вироби з нього, як і з будь-якого іншого чавуну виготовляють не куванням, а литтям. Назва "ковкий" цей чавун отримав внаслідок більш високих, порівняно з сірими чавунами пластичних властивостей.
Принципова схема технології отримання деталей з ковкого чавуну складається з двох операцій. Спочатку шляхом виливки з білого доевтектичний чавуну отримують деталі (рекомендований хімічний склад заливається в форми сплаву: 2,4. 2,9% С; 1,0. 1,6% Si; 0,3. 1,0% Мn; ≤ 0 , 1% S; ≤ 0,2% Р, потім отримані виливки піддають спеціальному Графітізуючі відпалу (томлінню). Відпал полягає зазвичай з двох стадій (рис. 53).
Спочатку виливки з білого чавуну (частіше упаковані в ящики з піском) повільно нагрівають протягом 20. 25 год до температури 950. 1050 ° С. І при цій же температурі тривалий час їх витримують (протягом 10. 15 год). У цей період протікає перша стадія графітизації, тобто розпад цементиту, що входить до складу ледебуріта (А + Fe3 С), і встановлення стабільної рівноваги аустеніт + графіт.
В результаті розпаду цементиту утворюється хлопьевідний графіт (вуглець відпалу).
Металева основа чавуну формується на другій стадії відпалу при евтектоїдних перетворенні. У разі безперервного охолодження виливки (на повітрі) в області евтектоїдной (727 ° С) температури аустеніт розпадається на перліт і процес графітизації не встигне охопити цементит перліту. Чавун приймає структуру: перліт пластинчастий + пластівчастий графіт (ХГ) Він володіє високими твердістю, міцністю і невеликою пластичністю (НВ 235. 305, # 963; в = 650. 680 МПа, # 948; = 3,0. 15%). Для підвищення пластичності при збереженні досить високої міцності проводиться нетривала (2. 4 ч) ізотермічна витримка чавуну або уповільнене охолодження при температурах 690. 650 ° С. Це друга стадія відпалу, що представляє собою в даному випадку отжиг на зернистий перліт.
Мал. 53. Графік відпалу білого чавуну на ковкий
У машинобудуванні широко застосовується феритний ковкий чавун, що характеризується високою пластичністю (# 948; = 10. 12%) і відноси -тельно низькою міцністю (# 963; в = 370. 300 МПа). Феритної основа чавуну утворюється при дуже повільному проходженні інтервалу 760. 720 ° С або в процесі ізотермічної витримки при 720. 700 ° С. Тут аустенит і цементит, в тому числі і цементит перліту, якщо перліт встиг зрадіти, розпадається на ферит + пластівчастий графіт. Пластівчаста форма графіту є основною причиною більш високої міцності і пластичності ковкого чавуні в порівнянні з сірим чавуном (див. Табл.7).
Тривалість відпалу в цілому становить 48. 96 год (тривалість II стадії приблизно в 1,5 рази більше, ніж I). Для скорочення тривалості відпалу в розплав перед його розливанням за формами (вводиться (модифікують) алюміній (рідше бор, вісмут і ін.), Що створює додаткові штучні центри освіти графіту. Згідно ГОСТ 1215-79 випускають такі марки ковких чавунів КЧ30-8. КЧ35 -10, КЧ37-12, КЧ45-7, КЧ50-5, КЧ55-4, КЧ60-3, КЧ65-3, КЧ70-2, КЧ80-1,5. Перші дві цифри відповідають мінімальній межі
міцності при розтягуванні (# 963; в, кгс / мм 2); цифри після тире - відносне подовження (# 948 ;.%)
Ковкі чавуни застосовуються для деталей, що працюють при ударних вібраційних навантаженнях (маточини, гальмівні колодки, колінчаті вали, гаки, картери редукторів і ін.).
Основним недоліком отримання КЧ є тривалий отжиг виливків і обмеження товщини їх стінок (до 50 мм). У пасивних деталях в результаті уповільненого охолодження при кристалізації виникає пластинчастий графіт (замість пластівчастого), який знижує міцність і пластичність чавуну.
Таблиця 7. Механічні властивості чавунів.
9.4. Високоміцні чавуни.
Високоміцний чавун отримують при модифікуванні (мікролегуванні рідкого чавуну магнієм (0,1. 0,5%) або церієм (0,2. 0,3%). При цьому під дією магнію графіт в процесі кристалізації приймає не пластинчасту, а кулясту форму. мікроструктура модифікованого чавуну на ферритной і на перлитной основі приведена на рис. 54, а, б.
Мал. 54. Структура високоміцного чавуну: а) ферритного б) перлитного
Основною причиною високих механічних властивостей високоміцного чавуну (табл. 7) є куляста форма графіту. Кулястий графіт, що має мінімальну поверхню при даному обсязі, значно менше послаблює металеву основу чавуну, ніж пластинчастий графіт. На відміну від останнього він не є активним концентратором напружень.
Згідно ГОСТ 7293-85, виливки виготовляють з високоміцного чавуну наступних марок: ВЧ35, ВЧ40, ВЧ45, ВЧ50, ВЧ60, ВЧ70, ВЧ80, ВЧ100 (цифри в позначенні відповідають мінімальній межі міцності при розтягуванні # 963; ст. кгс / мм 2)
Високоміцний чавун має високі механічні характеристики, має гарні ливарні і технологічними властивостями. Він застосовується як новий матеріал і як замінник стали, ковкого і сірого чавуну з пластинчастим графітом. У порівнянні зі сталлю має більшу зносостійкість, кращими антифрикційними і антикорозійними властивостями, кращої оброблюваністю різанням, Внаслідок меншої щільності виливка легше сталевих на 8. 10%. З високоміцного чавуну, на відміну від ковкого, можна відливати деталі будь-якого перетину, маси і розмірів.
Області застосування: в верстатобудуванні - супорти, резцедержатели, важкі планшайби, шпинделі, важелі та ін .; для прокатного і ковальсько-пресового обладнання - прокатні валки, станини прокатних станів і кувальних молотів, шабота, траверси пресів; для інших видів обладнання - барабани тельферів екскаваторів, колінчаті вали і т.д.
9.5. Леговані чавуни.
Вимоги до легованих чавунів для виливків з підвищеною жаростійкістю, корозійну стійкість, зносостійкість або жароміцних регламентовані ГОСТ 7769-82. Марки легованих чавунів і їх властивості приведені в табл. 8.
Леговані чавуни піддаються термічній обробці для забезпечення необхідних властивостей і структури.
Важливою властивістю легованих чавунів є опір зносу.
Як антифрикційних використовуються чавуни по ГОСТ 1585-85. Вони призначені для виготовлення деталей, що працюють у вузлах тертя з мастилом. Стандарт визначає марки антифрикційних чавунів, їх хімічний склад, характеристики, призначення, форму, розмір та розподіл графіту, дисперсність перліту, характер розподілу фосфідную евтектики, твердість і граничні режими експлуатації деталей з цих чавунів. Основою їх є залізо, постійні компоненти,%: 2,2-4,3 С; 0,5-4,0 Si; 0,3-12,5 Mn. Допускаються домішки,%. 0,1-1 Р; 0,03-0,2 S.
Марки антифрикційних чавунів, їх характеристики і на значення представлені в табл. 9.
Марки і властивості легованих чавунів (ГОСТ 7769-82)
Чавуни, що володіють підвищеною корозійною стійкістю в газовій, повітряної і лужної середовищах в умовах тертя і зносу, жаростійкі в повітряному середовищі, витримують температуру від 500 до 700 # 730 ;. призначені дл виготовлення деталей металургійного виробництва, кокілів склоформ, деталей хімічного обладнання і ін.
ЧХ3Т, ЧХ9Н5, ЧХ22, ЧХ16М2, ЧХ28Д2
Чавуни, що володіють підвищеною стійкістю проти абразивного зносу і стирання
Цей чавун характеризується підвищеною корозійною стійкістю при температурі 1000 # 730; С
ЧС13, ЧС15, ЧС17, ЧС15МА, ЧС17М3
Стійкі до впливу концентрованих і розбавлених кислот, розчинів лугів, солей