Термічна обробка

Чавуни

1.4.3.1 Загальні відомості

Чавунами називають сплави заліза з вуглецем, кількість якого перевищує 2,14%. Значна частина чавуну, що виплавляється, переплавляється в сталь, проте не менше ніж 20% чавуну, що виплавляється, використовують для виготовлення литва.

Чавуни відрізняються високими ливарними властивостями і є одними з основних сучасних ливарних матеріалів. Близько 75% всіх відливок виготовляють з чавуну. Нижча в порівнянні із сталями температура плавлення і завершення кристалізації при постійній температурі (утворення евтектики) забезпечують вищі ливарні характеристики: рідиноплинність і заповнюваність форми, усадку і меншу схильність до утворення усадкових тріщин.

Через низьку пластичність чавуни не піддаються обробці тиском.

Залежно від хімічного складу і умов кристалізації вуглець в чавунах може знаходитися в хімічно зв'язаному стані у вигляді цементиту або у вільному стані у вигляді графіту. Відповідно до цього розрізняють білі чавуни (вуглець знаходиться у вигляді цементиту) і сірі (вуглець знаходиться у вигляді графітних включень).

У білих чавунах фазові перетворення відбуваються відповідно до діаграми Fe-Fe3C. Залежно від змісту вуглецю вони підрозділяються на доевтектичні (2,14…4,3%С), евтектичні (4,3%С) і заевтектичні (4,3…6,67%С).

У доевтектичних чавунах структурними складовими при кімнатній температурі є перліт, ледебурит і цементит; у евтектичних – ледебурит; у заевтектичних – ледебурит і цементит.

Білі чавуни мають високу твердість (450…550НВ і вище), обумовлену наявністю в них великої кількості цементиту. Одночасно з високою твердістю для білих чавунів характерна висока крихкість, що виключає їх використовування для виготовлення деталей машин. Знаходять застосування відливки з білих чавунів, які служать для отримання деталей з ковкого чавуну шляхом проведення графітизуючого відпалу. Також знаходять застосування відливки з поверхневим шаром (12…30мм) з білого чавуну і серцевиною з сірого чавуну. Наявність «вибіленого» поверхневого шару забезпечує високу зносостійкість такої відливки.

Промислове значення мають сірі чавуни, в яких вуглець знаходиться у вигляді графітних включень, і тому важливе значення придбавають умови їх утворення, тобто процес графітизації.

Графіт містить 100% вуглецю, а концентрація вуглецю в цементиті складає всього 6,67%. Кристалічні структури аустеніту і графіту істотно розрізняються, в той час, як кристалічні структури аустеніту і цементиту більш подібні за своєю будовою. Тому утворення цементиту з рідкої фази і з аустеніту повинне протікати легше, ніж графіту, оскільки робота утворення зародка і необхідні для цього дифузійні процеси не такі значні.

Проте суміш ферит + графіт або аустеніт + графіт володіє меншою вільною енергією, ніж суміш ферит + цементит або аустеніт + цементит, отже, термодинамічні чинники сприяють утворенню не цементиту, а графіту.

Через перелічені обставини при швидкому охолоджуванні і утрудненні дифузійних процесів відбувається утворення цементиту, а при повільному охолоджуванні визначаючим є прагнення до мінімізації вільної енергії, що приводить до утворення графіту.

Сірі чавуни розрізняються за формою графітних включень. Графіт, який утворюється в чавунах в процесі кристалізації і подальшого охолоджування має пластинчасту форму, а чавуни з таким графітом називаються власне сірими.

Утворення графіту унаслідок розпаду цементиту має місце не тільки при кристалізації і охолоджуванні, але і при нагріві білого чавуну до високих температур. Це явище використовується при виробництві ковкого чавуну. У цьому випадку центри графітизації зростають більш-менш рівномірно в усі сторони, і утворюються графітні включення пластівчастої форми. Чавун з таким графітом називають ковким чавуном.

Чавун з кулястою формою графіту, яку одержують унаслідок модифікації магнієм і церієм, називають високоміцним чавуном.

Чавуни, так само як і сталі, є багатокомпонентними сплавами, до складу яких входять Fe, С, Si, Mn, P і S.

Вуглець надає визначальне значення на якість чавунів, змінюючи ливарні властивості і кількість графітних включень. Чим вище його концентрація, тим більше графітних включень і нижчі механічні властивості чавуну, тому вміст вуглецю в промислових чавунах не перевищує 3,8%. Нижня межа змісту вуглецю складає 2,4% і лімітується необхідністю забезпечення достатніх ливарних властивостей.

Кремній володіє сильною графітизуючою дією, він сприяє виділенню графіту в процесі затвердіння і розкладанню вже утвореного цементиту. Вміст кремнію в чавунах коливається від 0,3 до 5%.

Марганець утрудняє протікання процесів графітизації і трохи покращує механічні властивості чавунів. Кількість марганцю в чавунах може змінюватися в межах 0,5…1%.

Сірка за своєю вибілюючою здатністю в 5…6 разів перевершує марганець. Окрім цього, сірка знижує рідиноплинність, збільшує усадку і підвищує схильність до утворення тріщин. Тому сірка є шкідливою домішкою і її вміст в чавунах не перевищує 0,15%.

Фосфор практично не впливає на графітизацію. Його гранична розчинність у фериті складає 0,3%. При більшому змісті фосфор утворює із залізом і вуглецем потрійну фосфідну евтектику з температурою плавлення 950^оС, що збільшує рідиноплинність чавунів. Проте ця евтектика має високу твердість і крихкість, тому підвищений вміст фосфору у відливках до 0,7% допускається лише при необхідності забезпечення високої зносостійкості. Для художнього литва використовуються чавуни із змістом фосфору до 1%.

З легуючих елементів ступінь графітизації збільшують нікель і мідь, а хром утрудняє процес утворення графіту.

Графітні включення впливають на механічні властивості відливань, оскільки можуть розглядатися як пустки відповідної форми, біля яких концентруються напруги. Величина цих напруг тим більше, чим гостріший дефект, тому в найбільшій мірі знеміцнюється метал за наявності графітних включень пластинчастої форми, менш небезпечною є пластинчаста форма графіту, а найприйнятнішою – куляста форма графіту. Найбільший вплив графітні включення надають на опір матеріалів руйнуванню при жорстких способах навантаження (ударних і розтягуючих) і практично не впливають при дії стискаючих навантажень. Якнайменшу пластичність мають чавуни з пластинчастим графітом (δ = 0,2...0,5%), проміжну (δ = 5...10%) – з пластивчастим графітом і найбільшу – з кулястим графітом (δ £ 15%).

За структурою металевої основи сірки ковкі і високоміцні чавуни підрозділяються на феритні, феритно-перлітні і перлітні.

Металева основа в чавуні забезпечує найбільшу міцність і зносостійкість, якщо вона має перлітну структуру. Присутність в структурі фериту, не збільшуючи пластичність і в'язкість чавуну, знижує його міцність і зносостійкість. Якнайменшою міцністю володіє сірий феритний чавун.

Як конструкційний матеріал чавуни володіють наступними позитивними властивостями. Наявність графіту покращує обробку різанням, оскільки стружка ламається на графітних включеннях. У порівнянні зі сталлю чавуни мають кращі антифрикційні властивості, внаслідок того, що графітні включення самі є мастилом. Чавун чудово гасить вібрації і має підвищену циклічну в'язкість завдяки мікропусткам, які заповнені графітом. Деталі з чавуну не такі чутливі до зовнішніх концентраторів напруг (виточкам, отворам і т. п.) в порівнянні із сталевими деталями. Чавуни дешевші сталей через простішу технологію виробництва.

1.4.3.2 Сірі чавуни

Для виготовлення відливань передбачаються наступні марки чавуну: СЧ10; СЧ15; СЧ20; СЧ25; СЧ30; СЧ35. Можливе виготовлення чавуну марок СЧ18, СЧ21, СЧ24. Умовне позначення марки включає букви СЧ – сірий чавун і цифри, які указують якнайменше допустиме значення межі міцності при розтягуванні в мегапаскалях, зменшене в 10 разів.

Хімічний склад сірих чавунів наведений в таблиці 3. Структура металевої основи сірих чавунів залежить від кількості вуглецю і кремнію. З підвищенням змісту цих елементів збільшується ступінь графітизації і схильність до утворення феритної структури металевої основи. Іншим чинником, що впливає на структуру, є швидкість охолоджування чавуну, яка залежить від товщини стінки відливки і матеріалу форми.

Модифікація в значній мірі зменшує вплив товщини стінок відливка на структуру і властивості чавуну. При модифікації усувається цементитна фаза і утворюється невелика кількість ізольованих графітних включень середньої величини. Для модифікації використовують чавуни з пониженим вмістом вуглецю і кремнію (С = 2,8...3,2%, Si = 1...1,5%). Як модифікатори використовують феросиліцій, силікокальцій, алюміній.

Таблиця 3 – Механічні властивості і хімічний склад

сірих чавунів

Марка чавуну	sВ, МПа	НВ	С, %	Si, %	Mn,%	P, %	S, %
СЧ10	³ 100	£ 190	3,5 - 3,7	2,2 -2,6	0,5 -0,8	£ 0,3	£0,15
СЧ15	³ 150	£ 210	3,5 - 3,7	2,0 -2,4	0,5 -0,8	£0,2	£0,15
СЧ20	³ 200	£ 230	3,3 - 3,5	1,4 -2,4	0,7 -1,0	£0,2	£0,15
СЧ25	³ 250	£ 245	3,2 - 3,4	1,4 -2,4	0,7 -1,0	£0,2	£0,15
СЧ30	³ 300	£ 260	3,0 - 3,2	1,3 -1,9	0,7 -1,0	£0,2	£0,12
СЧ35	³ 350	£ 275	2,9 - 3,0	1,2 -1,5	0,7 -1,1	£0,2	£0,12

Примітка. Значення тимчасового опору при розтягуванні і твердості наведені для відливок з товщиною стінки 15 мм.

Сірі чавуни використовуються у верстатобудуванні для виготовлення корпусних деталей, зубчатих коліс, станин, а в автомобілебудуванні – для блоків циліндрів, гільз, поршневих кілець, розподільних валів, головок циліндрів, дисків зчеплення. З сірих чавунів виготовляють сантехнічні і побутові прилади, радіатори опалювання, елементи пічної арматури тощо.

1.4.3.3 Високоміцні чавуни

У їх маркуванні букви "ВЧ" позначають високоміцний чавун, цифри – якнайменше значення межі міцності при розтягуванні в мегапаскалях, зменшене вдесятеро. Чим більше міцність високоміцних чавунів, тим нижче їх пластичність.

Механічні властивості високоміцних чавунів подані в таблиці 4. Хімічний склад високоміцних чавунів приблизно наступний: 3,1...3,2% С, 2,6...2,9% Si, 0,6...0,8% Mn, 0,12% Р, 0,03% S, 0.02..0.03% Мg або Сі.

У високоміцних, в порівнянні з сірими чавунами, спостерігаються більш висока рідиноплинність, низька усадка (до 1%), вищий модуль пружності. Оброблюваність різанням високоміцного чавуну при еквівалентній твердості вища, ніж відливок з сірого чавуну. Високоміцні чавуни мають задовільну зварювальність.

Таблиця 4 – Механічні властивості високоміцних чавунів

Марка чавуну	sв, МПа	s0,2, МПа	δ, %	Твердість, НВ
ВЧ35				140 - 170
ВЧ40				140 - 202
ВЧ45				140 - 225
ВЧ50				153 - 345
ВЧ60				192 - 277
ВЧ70				228 - 302
ВЧ80				248 - 351
ВЧ100				270 - 360

Чавунні вали з високоміцних чавунів в порівнянні із сталевими мають вищу циклічну в'язкість і кращі антифрикційні властивості. Вони малочутливі до зовнішніх концентраторів напруг і дешевші, ніж сталеві. З високоміцного чавуну виготовляють також валки прокатних станів, деталі турбін й ін.

1.4.3.4 Ковкі чавуни

Ковкий чавун одержують відпалом відливок з білого чавуну, в структурі яких не повинно бути слідів графітизації. Для забезпечення цієї умови білі чавуни в своєму складі мають знижену кількість вуглецю і кремнію в порівнянні з сірими і високоміцними чавунами.

Формування кінцевої структури і властивостей відливок з ковкого чавуну відбувається під час відпалу (рис.7). Відливки витримуються в печі при температурі 950…1000^оС протягом 15…20 годин. При цьому відбувається перетворення цементиту в графіт і структура після витримки складається з аустеніту і графіту. Цей етап називається першою стадією графітизації.

При подальшому повільному охолоджуванні або витримці при температурах 700...720°С відбувається перетворення на графіт цементиту, що входить до складу перліту, який утворився в результаті евтектоїдного перетворення аустеніту (друга стадія графітизації). Структура чавуну після відпалу складається з фериту і графітних включень і, таким чином, виходить ковкий феритний чавун.

У разі швидкого охолоджування з температури відпалу повністю усувається друга стадія графітизації і виходить ковкий перлітний чавун. Відпал є тривалою і дорогою операцією технологічного процесу виробництва відливок з ковкого чавуну.

Рисунок 7 – Графік графітизуючого відпалу відливок з білого чавуну

для отримання ковкого чавуну

Існує 11 марок ковких чавунів (табл. 5). Перші чотири марки – з феритною, подальші сім марок – з перлітною металевою основою. У маркуванні букви КЧ позначають ковкий чавун, перша цифра визначає мінімальне значення межі міцності в мегапаскалях, зменшене в 10 разів, а друга – мінімальне значення відносного подовження у відсотках.

Таблиця 5 – Механічні властивості і хімічний склад ковких чавунів

Марка чавуну	sу, МПа	δ, %	Твердість, НВ	С, %	Si, %	Mn, %	P,%	S,%
КЧ30-6			100 - 163	2,6-2,9	1,0-1,6	0,4-0,6	0,18	0,20
КЧ33-8			100 - 163	2,6-2,9	1,0-1,6	0,4-0,6	0,18	0,20
КЧ35-10			100 - 163	2,5-2,8	1,1-1,3	0,3-0,6	0,12	0,20
КЧ37-12			110 - 163	2,4-2,7	1,2-1,4	0,2-0,4	0,12	0,06
КЧ45-7			150 - 207	2,5-2,8	1,1-1,3	0,3-1,0	0,10	0,20
КЧ50-5			170 - 230	2,5-2,8	1,1-1,3	0,3-1,0	0,10	0,20
КЧ55-4			192 - 241	2,5-2,8	1,1-1,3	0,3-1,0	0,10	0,20
КЧ60-3			200 - 269	2,5-2,8	1,1-1,3	0,3-1,0	0,10	0,20
КЧ65- 3			212 – 269	2,4-2,7	1,2-1,4	0,3-1,0	0,10	0,06
КЧ 70-2			241 - 285	2,4-2,7	1,2-1,4	0,3-1,0	0,10	0,06
КЧ80-1,5		1,5	270 - 320	2,4-2,7	1,2-1,4	0,3-1,0	0,10	0,06

Недоліком ковкого чавуну, в порівнянні з високоміцним чавуном, є обмеження товщини стінок для відливань з ковкого чавуну і необхідність проведення дорогого відпалу.

1.4.3.5 Чавуни з вермікулярним графітом

Даний чавун розроблений і упроваджений в 70-х роках минулого сторіччя. Сполучає в собі високі ливарні, механічні і теплофізичні властивості і тому застосовується для виготовлення тонкостінних відливань складної конфігурації, які витримують значні теплові і силові навантаження.

У чавунах з вермікулярним графітом структура формується під дією комплексного модифікатора, що містить магній і рідкоземельні метали. Графіт має кулясту (до 40%) і вермікулярну – у вигляді дрібних тонких прожилків – форму.

Чавуни з вермікулярним графітом маркіруються таким чином: спочатку йдуть букви ЧВГ (чавун, вермікулярний графіт), потім перше число, яке указує мінімальне значення тимчасового опору міцності при розтягуванні в мегапаскалях, далі – друге число, що визначає мінімальне значення відносного подовження у відсотках. Наприклад, марка ЧВГ 400-4 означає, що чавун з вермікулярним графітом має s_В 400 МПа і δ - 4%.

За механічними властивостями чавуни з вермікулярним графітом посідають проміжне положення між сірими і високоміцними чавунами (табл.6). Вони міцніші за сірі чавуни особливо при циклічних навантаженнях.

Таблиця 6 – Механічні властивості чавунів з вермікулярним

графітом

Марка чавуну	ЧВГ 300-3	ЧВГ 350-2	ЧВГ 400-1,5	ЧВГ 450-1
sу, МПа
δ, %	3,0	2,0	1,5	0,9

1.4.3.6 Антифрикційні і леговані чавуни

Сірі, ковкі і високоміцні чавуни використовуються як антифрикційні матеріали. Знаходять застосування наступні марки чавунів: АЧС-1, АЧС-2, АЧС-4 (перлітна основа, піддаються гартуванню і нормалізації); АСЧ-3 (ферито-перлітна основа, використовується без обробки); АСЧ-5 (основа аустенітна, піддається гартуванню і нормалізації); АСЧ-6 (перлітна пориста основа, без обробки); АЧВ-1 (перлітна основа, піддається гартуванню і нормалізація); АЧВ-2 (ферито-перлітна основа, без обробки), АЧК-1 (перлітна основа, піддається гартуванню і нормалізації); АЧК-2 (ферито-перлітна основа, без обробки).

При легуванні хромом, кремнієм і алюмінієм чавуни мають велику жаростійкість. З легованих чавунів поширені хромові чавуни ЧХ1, ЧХ2, ЧХ16, 4X28, 4Х32, кременисті чавуни ЧС5, ЧС13 і алюмінієві чавуни ЧЮХШ, ЧЮ6С5, ЧЮ22Ш, ЧЮ30 (табл. 7).

Маркуються чавуни буквою Ч, за якою йдуть букви, які вказують назву легуючих елементів, а потім цифри, що визначають кількість цих елементів у відсотках. Буква Ш в кінці позначає наявність кулястого графіту.

Таблиця 7 – Хімічний склад легованих чавунів

Марка чавуну	С, %	Si, %	Cr, %	Інші елементи	Примітка
ЧХ22	2,4 – 3,6	0,2 – 1,0	19,0-25,0	0,15 - 0,35%Ti
ЧХ32	1,6 - 3,2	1,5 - 2,5	30,0 - 34,0	0,1 - 0,3% Ti	Експ. до 1150^оС
ЧХ22С	0,6 - 1,0	3,0 - 4,0	19,0 - 25,0
ЧС5Ш (силан)	2,7 - 3,3	4,5 - 5,5			Експ. до 800^оС, стійкий в атмосферах, що містять сірчистий газ і пари води
ЧС15 (ферросилід)	0,3 – 0,8	14,1–16,0			Для виготовлення деталей хімічної апаратури
ЧЮ22Ш (чугаль)	1,6 – 2,5	1,0 – 2,0		19,0–25,0% Al	Експ. до 1100^оС
ЧН15Д7 (нірезіст)	2,2 - 3,0	2,0 - 3,0	1,5 - 3,0	14,0 - 16,0 %Ni, 5,0 - 5,8 %Cu	Для виготовлення деталей хімічної апаратури

Дата добавления: 2014-01-07