Чавун та сталь: їх склад, характеристика та класифікація

Чавун — це сплав заліза з вуглецем (вміст його становить по­над 2 % за масою) та іншими елементами.

До складу чавуну входить також кремній (8і) — від 0,5 до 3,6% і марганець (Мп) — від 0,5 до 1,5%; фосфор (Р) — 0,2% і сі­рка (S) — 0,1—0,2%. Кремній сприяє графітизації (виділенню графіту), марганець перешкоджає графітизації, але знешкоджує сірку, яка робить чавун крихким і є шкідливою домішкою. Фос­фор поліпшує рідиннотекучість і в розмірі 1% не знижує механі­чних властивостей.

Вуглець у складі чавуну може перебувати у вигляді хімічної сполуки з залізом — карбідом заліза, може бути у вільному стані, тобто у вигляді графіту, і може бути частково у вільному, частко­во у сполученому стані.

На властивості чавуну значною мірою впливає кількісне спів­відношення вмісту зв'язаного і вільного вуглецю, а також форма графітових включень.

Чавун, в якому весь вуглець перебуває у зв'язаному із залізом стані у вигляді FезС (карбід заліза), називається білим чавуном (за білим кольором зламу). Він не містить видимих під мікроско­пом включень графіту. Білий чавун дуже твердий (НВ 450—550) і крихкий, погано піддається технологічній обробці і тому має обмежене використання. Він, в основному, переробляється в сталь. Для поліпшення експлуатаційних характеристик (підви­щення зносостійкості, жаростійкості, корозієстійкості) до складу чавуну вводять леговані елементи: нікель, хром, вольфрам, алю­міній і т. ін. Білі леговані чавуни дуже міцні, зносостійкі, жаро­стійкі, тому з них виготовляють гальмові колодки, ножі екскава­торних ковшів, деталі дробарок, котлів і т. ін.

Графітизовані чавуни — це чавуни, які мають видимі під мік­роскопом включення графіту в структурі після ствердіння та в результаті накладення зовнішніх дій (термічних, силових та ін­ших) у твердому стані.

До числа графітизованих чавунів належать: чавун з пластин­частим графітом, чавун з вермикулярним графітом, чавун з куля­стим графітом, ковкий чавун, половинчастий чавун (з двох скла­дових: «білої» (ледебуритно-карбідно-перлітної) та «сірої» (перлітно-феритно-графітної)).

У доменному виробництві виплавляють 3 види чавунів — переробний, ливарний і спеціальний (феросплави).

Переробний чавунвідповідно до ДСТУ 3133-95 призначений для сталеплавильного виробництва, виготовляють марок ПІ і П2; для ливарного виробництва — марок ПЛІ, ПЛ2, ПЛЗ; фосфорис­тий — марок ПФ1, ПФ2, ПФЗ; високоякісний — марок ПВК1, ПВК2, ПВКЗ.

Ливарний чавунвикористовується для виробництва машино­будівних ливарних чавунів в чавуноливарних виробництвах.

Для самостійного використання з нього одержують ливарні деталі для різноманітних механізмів і машин ливарними мето­дами.

Переваги чавуну полягають у високих ливарних властивостях і невеликій ціні (у порівнянні зі сталлю). Температура розплав-лення чавуну на 300—400°С нижча, ніж у сталі, що скорочує процес ливарництва.

Чавуни за рахунок вмісту графіту добре обробляються різан­ням, а також утворюється більш чиста поверхня готових виробів, ніж при обробці сталі.

Чавун має високу твердість і низьку пластичність, він крих­кий, тому його неможливо піддавати пластичній деформації. Че­рез низьку пластичність і високий вміст вуглецю чавун погано зварюється. Хімічні властивості його низькі, він піддається всім видам іржавіння.

Ливарний чавун менш крихкий, добре обробляється різанням через високий вміст кремнію, який сприяє графітизації, має добрі антифрикційні властивості, великий опір стисненню, достатньо високу міцність при розтягненні, згинанні, різанні, стискуванні.

Використовується в машинобудуванні як найбільш дешевий спосіб виготовлення деталей.

Маркується літерою Л і числами, які показують вміст крем­нію. Випускають сім марок ливарного чавуну: ЛІ; Л2; ЛЗ; Л4; Л5; Л6; Л7. Чим вище число, тим менший вміст кремнію (ЛІ — 3,6% Зі; Л7 —0,8% Зі).

Залежно від вмісту марганцю, фосфору, сірки ливарний чавун ділиться на чотири групи (І, II, III, IV), п'ять класів (А, Б, В, Г, Д) і чотири категорії (І, II, III, IV).

Машинобудівні чавуни. За формою графітових включень ма­шинобудівні ливарні чавуни діляться на:

• сірі чавуни — форма графітових включень у вигляді пластин;

• високоміцні — включення графіту кулеподібної форми;

• ковкі чавуни — включення графіту вермикулярної форми. Держстандарт установлює 8 марок сірого чавуну:СЧ-10; СЧ-15;

СЧ-20; СЧ-25; СЧ-30; СЧ-35; СЧ-40; СЧ-45. Принципи маркування сірого чавуну: СЧ — сірий чавун (його назва за сірим кольором зламу). Число показує середню величину тимчасового опору розри­ву: а_в = 100 МПа або 10 кгс/мм². Твердість цих чавунів НВ = 143...255; 5 = 0,2—0,5 %. Хімічний склад: С = 3,2 - 3,5%; 8і = 1,9— 2,5%; Мn = 0,5—0,8 %; Р = 0,1—0,3%; 5 <= 0,125%.

Регулюванням сумарного вмісту вуглецю і кремнію в розпла­вленому чавуні, а також швидкістю охолодження в формі, можна одержати виливки з різноманітною структурою.

Сірі чавуни ідеальні ливарні сплави з невисокою температу­рою плавлення 1100°С і при твердінні не дають усадочності. Во­ни дешевші, ніж сталь, а виливки з них менше жолобляться і утворюють тріщини, мають більш чисту поверхню, тому що ме­нше взаємодіють з піщаною формою. Виливки більш тонкостінні, ніж виливки зі сталі, що призводить до менших витрат металу.

Марки СЧ10 — СЧ20 використовуються для одержання вили­вок, які менше навантажуються, це кришки, фланці, маховики.

Чим вища марка, тим надійніші виливки щодо несучої спро­можності.

Основними складовими структур, які визначають їх властиво­сті, крім графіту, є ферит, цементит, перліт.

Високоміцний чавун, що має кулясту форму графіту, одер­жують обробкою розплавленого чавуну різноманітними модифі­каторами (магній, церій, марганець).

Хімічний склад: С = 2,7—3,6%; 5і = 1,9—2,8%; Мn =0,2—0,9; Р = 0,1%; 5 = 0,1%; Сг = 0,15%.

Високоміцний чавун у 3 рази міцніший, ніж сірий, відзнача­ється пластичністю, добре обробляється різальним інструментом, має добрі ливарні властивості.

Марка чавуну визначається його тимчасовим опором розриву під час розтягання, умовною границею плинності та відносним видовженням.

Умовне позначення марки чавуну з кулястим графітом містить літери ВЧ: В — високоміцний, Ч — чавун), цифрове позначення мінімального значення тимчасового опору під час розтягання, в МПа, та через дефіс — мінімального значення відносного видов­ження, у відсотках.

Приклад умовного позначення марки чавуну з кулястим гра­фітом з мінімальним значенням тимчасового опору під час роз­риву 500 МПа та мінімальним відносним подовженням 2%: ВЧ 500-2 ДСТУ 3925-99. Виготовляється всього 12 марок такого ча­вуну.

Спеціальні чавуни або феросплавиїх використовують при ви­плавці сталі як спеціальні домішки для її розкислювання (відбору кисню з розплавленої сталі) і легування. Це сплави заліза з крем­нієм (Fе =18—50%, Sі = 60—95%, С = 2—2,5%) і марганцем, а також хромом (феромарганець, ферохром, феросиліцій, фероси-лікомарганець і т. ін.).

Феросилікомарганець - сплав, основою якого є залізо та мар­ганець із масовою часткою від 10 до 35% та фосфор, сірка і вуг­лець з обмеженими верхніми значеннями масових часток, одер­жаний способом відновлення оксидних матеріалів. Випускається таких марок: МнС 25, МнС 22, МнС 17, МнС 12, де літери Мн -означають марганець, С — кремній, наступні за ними цифри -середню масову частку кремнію в цілих одиницях. Частка марга­нцю не менше 60—65%, вуглецю від 0,5—3,5%.

Чавун поставляється партіями. Партія чавуну повинна складатися із чавуну однієї марки, групи, класу, категорії і оформлятись одним документомякості.

Сталь — це сплав заліза з вуглецем, в якому вміст вуг­лецю менше 2,14 %, крім того, в сталі присутні постійні вклю­чення марганцю, кремнію, сірки, фосфору, що впливають на її

властивості. Сталі, які застосовуються в машинобудуванні, міс­тять від 0,05 до 1,3% С. Марганець і кремній застосовуються як розкислювачі, а присутність шкідливих домішок — сірки і фос­фору — пояснюється трудністю їх усунення при виплавці сталі. Вміст постійних складових компонентів у сталі знаходиться в межах 0,35...0,40% Зі, 0,5...08 Мп, 0,05...0,015 5, 0,045...0,025Р.

Марганець і кремній — корисні компоненти. Ці елементи підви­щують міцність сталі, але зменшують пластичність. Сірка викликає високотемпературну крихкість сталі, а фосфор — низькотемпера­турну крихкість. Шкідливими включеннями також є гази (Н, О, ІУ), що підвищують крихкість. Якщо кількість постійних складових ком­понентів (Мп, 8і, 5, Р) не перевищує припустимого, то властивості сталі визначаються кількістю вуглецю. З його збільшенням міцність і твердість сталі збільшується, а пластичність і в'язкість зменшується.

Межа міцності досягає максимуму при 0,9% вуглецю, пода­льше збільшення концентрації вуглецю призводить до зниження міцності.

Високовуглецеві сталі, внаслідок високої твердості і низької теплопровідності, погано обробляються різанням. Низьковугле­цеві сталі також погано обробляються різанням, тому що утво­рюється зливна стружка. Найкраще обробляються різанням сталі, що містять 0,3...0,4% С. Зі збільшенням кількості вуглецю знижу­ється технологічна пластичність — здатність деформуватися в гарячому й особливо холодному стані. Вуглець погіршує зварю­вальні властивості сталі.

Структурними складовими сталей є ферит, перліт і цементит.

Ферит— твердий розчин вуглецю й інших складових домі­шок компонентів в об'ємноцентрованій кубічній решітці а — за­ліза, при 20°С концентрація вуглецю становить 0,006 %, а при 727 °С —0,02%.

Перлітмає концентрацію вуглецю 0,8% і складається з фери­ту і цементиту.

Цементит— хімічне з'єднання заліза з вуглецем — карбід заліза РезС. У цементиті міститься 6,67 % С.

Сталікласифікуютьс я за способом виробництва, ступенем розкислення, хімічним складом, призначенням, якістю й іншими ознаками.

За способом виробництва розрізняють сталь мартенівську (ос­новну або кислу), бесемерівську, томасівську, киснево-конвер­терну та електросталь (дугову або індукційну).

За ступенем розкислення — спокійну, напівспокійну, киплячу.

За хімічним складом сталі можуть бути вуглецеві і леговані. За наявністю вуглецю сталі діляться на низьковуглецеві (до 0,3%), середньовуглецеві (0,3-0,7%) і високовуглецеві (понад 0,7%). За концентрацією легованих елементів сталі підрозділяють на низьколеговані (до 5%), середньолеговані (5-10%) і високо ле­говані (понад 10%).

За призначенням розрізняють сталі конструкційні, інструмен­тальні і сталі зі спеціальними властивостями (жароміцні, іржо­стійкі, зносостійкі й ін.).

Вуглецеві конструкційні сталі діляться на якісні і зви­чайної якості.

Якісні сталіхарактеризуються зниженим вмістом шкідливих домішок. Ці сталі виплавляються киснево-конвертерним спосо­бом, а також у мартенівських або електричних печах і застосову­ються для виготовлення найбільш відповідальних деталей ма­шин: колінчатих валів, шатунів двигунів, різноманітних деталей машин і механізмів, корпусів приладів і апаратів, зубчатих коліс і т. ін. Ці сталі випускаються таких марок: 08, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80 і 85. Цифри показують середній вміст вуглецю в сотих частках відсотка.

Низьковуглецеві сталі (0,3% С) мають невисоку міцність, їх застосовують для виготовлення невідповідальних деталей (шай­би, прокладки, змійовики, елементи зварних конструкцій, штам­пувальних виробів). Ці ж сталі після поверхневого зміцнення (цементації) використовуються для виробництва деталей, що працюють в умовах підвищеного зносу (колінчаті вали, штовхачі клапанів двигунів внутрішнього згорання).

Середньовуглецеві сталі (від 0,3 % до 0,55 %), що поєднують міцність і пластичність, застосовуються для виготовлення різно­манітних деталей у всіх галузях машинобудування (колінчаті ва­ли, шатуни, шестерні, деталі машин і т. ін.).

Сталі, що містять 0,55...0,75% С, мають найвищу міцність, зносостійкість, пружність. З них виготовляють пружини, ресо­ри. Сталі, призначені для виготовлення виливок, позначаються з додаванням літери «Л». Наприклад: 20Л, ЗОЛ, 45Л, 70Л і т. ін.

Вуглецеві сталі звичайної якості (мартенівські, конверторні) у процесі виплавки менше звільняються від шкідливих домішок, їх відливають у великі виливки, тому вони містять підвищену кількість неметалевих включень і шкідливих включень, але це найдешевші сталі. З них шляхом гарячого прокатування одержують листи, труби, балки, швелери, рейки.

Автоматні сталі відрізняються гарною оброблюваністю різанням через підвищений вміст сірки (0,08…0,2%) і фосфору (0,08…0,15%). Вони призначені для виготовлення деталей масового виробництва на швидкокідних верстатах-автоматах. Їх маркують літерою А (автоматна) і цифрою, що показує середній вміст вуглецю в сотих частках відсотка. Наприклад, А12, А20.

Інструментальні сталі маркуються буквою У і цифрою, що показує кількість вуглецю в десятих частках відсотка. Застосовуються сталі марок У7, У8, У 10, У10А, У12, У13.

Дата добавления: 2013-12-14