Шойындар. Шойынның графиттену процесі. Шойынның түрлері

Шойынның көнедегі тарихына тоқталсақ, ол Касли зауыты. Касли зауытының негізі 1747 жылы Уралда қаланған болатын, тек ХІХ ғасырдың үштен бірінің алғашқы бөлігінде ғана оның өнімінің ассортиментінде өзінің көркем құймасы пайда болды.

Құрамында 2,14 %-тен 6,67%-ға дейін көміртегі бар көміртекті темір қорытпалары шойын деп аталады. Оның болаттан айырмашылығы құрамындағы көміртегі мөлшері болатқа қарағанда көп, әрі құйылғыштығы жақсы, құны болаттан арзан, ал пластикалық қасиеті едәуір төмен. Сондықтан шойыннан құйма жасау оңай. Құрылымына қарай шойындар ақ шойын, сұр шойын, беріктігі жоғары шойын, соғылғыш шойын және арнайы шойындар болып беске бөлінеді.

Шойында көміртегі мен темірден басқа марганец, кремний, күкірт, фосфор және басқа да элементтер болады, бұлардың мөлшері мен әсері болатқа қарағанда басқаша.

Кремний шойын құрамына графиттену процесін күшейтіп қатты әсер етеді. Оның мөлшері 0,5÷5% дейін болады.

Марганец графиттену процесінің өтуіне кедергі жасап, шойынның ағаруына көмектеседі. Шойын құрамындағы марганец мөлшері 0,4÷0,6% аспауы керек.

Күкірт бұл да марганец сияқты шойынның ағаруына көмектеседі, оның құю қасиетін нашарлатады, сондықтан шойындағы мөлшері шектеледі, 0,15% аспауы керек.

Фосфор шойынның аққыштығын жақсартып, графиттену процесіне әсер етпейді. Шойын құрамында фосфордың мөлшері 0,5% аспайды.

Шойынның графиттену процесі

Көміртекті темір қорытпаларындағы графиттің кристалдануын графиттену деп атайды. Графитті шойын қатайғанда сұйық фазадан аустениттенуі (сынуы) мүмкін. Шойынның графиттену процесі кристалданудың жалпы заңына бағынады да, графитену орталықтарын түзеді. Түзілген графит туындылары әрі қарай өседі. Графит туындылары түзілу үшін көміртегі атомдарының едәуір диффузиясы болуы керек. Бұл баяу өтетін процесс, себебі тағы да темір атомдарының өздік диффузиясы қажет – бұл атомдарда графит кристалдану шебінен алып кетеді. Цементит графитке қарағанда тұрақтылығы аз фаза және жоғары температурада Fe₃С = 3Fe + C ажырайды. Егер кристалдануға арнаулы жағдай туғызбаса, сұйық қорытпадан көбінесе цементит пен аустениттің қоспасы бөлінеді. Графиттену процесіне химиялық құрамы, суыну жылдамдығы және ерімейтін қоспалардың болуы әсер етеді.

Графиттің механикалық беріктігі төмен, сондықтан оның қосындыларын металл негізінің тұтастығын бұзатын, әрі қорытпаның беріктігін азайтатын ішіндегі тілік ретінде қарау керек. Кішкене иірілген графит қабыршағы шойынның беріктігін арттырады. Графиттің мұндай формасын модификациялау арқылы алады. Шойынның химиялық құрамын өзгертпеу үшін, оларды шамалы мөлшерде қосады. Модификаторлар графиттің қосымша кристалдану орталығы (центрін) болатын ерімейтін Al₃O₃, AlN, Si қоспалар түзеді. Баяу суығанда графиттену оңай, толықтау өтеді. Сондықтан тез суыйтын жұқа кесіктерде графиттену қиындайды.

Ақ шойын

Ақ шойынның құрамында көміртегі темірмен химиялық қосылыс (цементит) түрінде кездеседі. Бұл шойынның кристалдану процесі темір-цементит диаграммасы бойынша жүреді, оның қаттылық, беріктік, үйкеліске беріктік, морттық қасиеттері жоғары болып келеді. Ақ шойынның микроқұрылымы 4.1 суретте келтірілген.

Құрамындағы көміртегінің мөлшеріне байланысты ақ шойындарды эвтектикаға дейінгі (2,14%<С<4,3%), құрылымы перлит + ледебурит + екіншілік цементит (П+Л+Ц_ІІ); эвтектикалық (С=4,3%), құрылымы ледебурит (Л); эвтектикадан кейінгі (4,3%<С<6,67%), құрылымы ледебурит + біріншілік цементит (Л+Ц_І) деп бөледі.

а – эвтектикаға дейінгі ақ шойын (П+Л+Ц_ІІ); б – эвтектикалық ақ шойын (Л); в – эвтектикадан кейінгі ақ шойын (Л+Ц_І).

4.1 сурет - Ақ шойынның микроқұрылымы

Ақ шойынның морттық қасиеті құрамындағы көміртегі мөлшерінің көбеюіне байланысты артатындықтан, өндірістегі құрылымы перлит-ледебуритті эвтектикаға дейінгі шойындар қолданылады. Ақ шойынның қаттылығы мен морттылығы жоғары, сондықтан оларды кескіш аспаптармен өңдеуге келмейді. Сол себептен одан механикалық өңделмейтін құймалар алады. Мұндай қорытпалардың сыртқы беті ақ шойын, ішкі жағы (өзегі) сұр шойын түрінде кристалдануы үшін сыртқы бетін тез, ал ішкі жағын баяу жылдамдықпен суытады. Ақ шойынға қоспаны қосып Сормайт – І деген соқа пышақтарының бетіне балқытып жапсыратын қорытпа алады. Диірмендердің шарларын және соғылғыш шойын алуға қолданылады.

Сұр шойын

Сұр шойынның құрамында көміртегі темірмен механикалық қоспа – графит – түрінде кездеседі және сұр шойынның кристалдану процесі көміртегі-темір диаграммасы бойынша жүреді. Сұр шойында көміртегінің біразы немесе барлығы бос күйінде пластиналы графит формасында (қалпында) болады. Мұндай шойындар құрамында графит болғандықтан сынығы сұр түсті болады. Сұр шойынның құрамындағы графиттің түзілу табиғаты осы күнге дейін толық анықталмаған. Бұл туралы қазіргі кезде мынадай пікір айтылып жүр: көміртегінің графитке айналуы кристалдану процесіне жататындықтан, балқыған шойын суыған кезде кристалдану орталықтарынан немесе қатты күйінде көміртегімен қаныққан аустениттен графит түзіледі. Сұр шойынды СЧ деп маркалайды, белгінің соңындағы сандар шойынның оны созуға қарсы кедергісін көрсетеді. Сұр шойынның СЧ18, СЧ21, СЧ24 маркаларынан диафрагмалар, турбинаның төмен қысымды цилиндрін, бу шығатын ауызшаларын жасайды. Сұр шойын автотрактор және ауыл шаруашылық машина жасау саласында көп қолданылады. Шойыннан құйылған бұйымдарды (-15)÷(+300)^оС температуралар аралығында және қысым 10 МПа-дан төмен болған жағдайда қолдану керек. Сұр шойынның беріктігі графитті қоспаларының мөлшері, формасы және санымен анықталады. Сұр шойындарда модификатор ретінде алюминий, ферросилиций және ферромарганец қолданылады.

Аса берік шойын

Аса берік шойынның құрамында пішіні шар тәріздес графит құраушысы болады, оны магнимен модификациялау арқылы алады ( 0,5% дейін). Графиттің бөлек және шар түрінде болуы, шойынның сыйымдылығы мен беріктігін арттырады. Графит түзетін көміртегінің барлығы еркін күйде болады. Аса берік шойынды сұйық қорытпаға графитизатор немесе модификатор (магний, церий) қосу және баяу суыту арқылы алады. Беріктігі жоғары шойын 7293 - 93 МЕСТ арқылы ВЧ әріптерімен және сандармен маркаланады, бұлардың бірінші екі цифры созуға беріктік шегін белгілейді, ал қалғаны салыстырмалы ұзаруын, мысалы ВЧ 42. Мұндай шойынның химиялық құрамы құйманың қалыңдығына және шойын маркасына тәуелді. Жуық шамамен аса берік шойында 2,7÷3,6% көміртегі, 0,8÷3,8% кремний, 0,3÷0,6% мыс болады. Аса жоғары беріктігі мен пластикалығы мұндай шойындардан жауапты қызмет атқаратын бұйымдар - иіндер мен сорғының сыртқы тұрқысын жасауға мүмкіндік береді. Беріктігі жоғары шойын иінді білік, тісті дөңгелек, кронштейн және басқа машина детальдарын жасауда қолданылады.

Соғылғыш шойын

Соғылғыш шойын деп құрамында мақта шашақтары пішіндес графиттен тұратын еркін көміртегі болатын және оны ақ шойыннан күйдіру арқылы алатын шойынды айтады. Соғылғыш шойында графит жалпақ түрде болады, ол арнаулы термиялық өңдеу арқылы алынады, соның нәтижесінде цементит мына реакциямен ажырайды:

C 3 Fe + C

Оңашаланған жалпақ формалы графит шойынның тұтқырлығы мен беріктігін арттырады. Жоғары беріктік сипаттамасын көтеру және құйма кристалданғанда пластинкалы графит пайда болу үшін, соғылғыш шойын құрамындағы көміртегі мен кремний мөлшеріне шек қойылады (2,2% С; 0,7÷1,5% Si; 0,2÷0,6% Mn; 0,2% Р).

Соғылғыш шойын КЧ30-6 дан КЧ80-1,5 дейін белгіленеді. Әріптерден кейінгі сандар шойынның созылуға қарсылығын және салыстырмалы ұзаруын (%) көрсетеді. Осы маркалар аралығында шойынның Бриннель шкаласы бойынша қаттылығы 100-ден 320-ға дейін артады.

Соғылғыш шойынды жасыту тәсілі. Бұйымдарды босаңдату үшін пеш табанына салады немесе тотықтанбау үшін ішінде құмы бар жәшікке салады. Графиттену процесі 60⁰С созылатын екі сатыдан тұрады. Графиттенудің бірінші сатысы 950÷1050⁰С өтеді, мұнда аустенит тең салмақты қаныққан цементит, графит пен ферритке ыдырайды. Графиттенудің екінші сатысы 700÷740⁰С температурада жүреді, мұнда эвтектиод құрамды аустенит графит пен ферритке ыдырайды. Графиттенудің екінші сатысының созылғандығына байланысты ферритті – ферритті – перлитті немесе перлитті соғылған шойын алуға болады. Соғылғыш шойынды босаңдату уақытын азайтудың әр – түрлі варианттары бар: құйманы жоғары температурада тұзды астауда ұстау, шойынды алюминиймен модификациялау, құймаларды алдын – ала шынықтыру. Соғылғыш шойын жұмыс процесінде соғу күші түсетін бөлшектерді жасауда қолданылады.

4.6 Арнайы шойындар

Арнайы шойынға төзуге, ыстыққа және тот басуға төзімді шойындар жатады. Төзімді шойынның тозуға қарсы тұру қасиеті жоғары. Жұмыс жағдайына байланысты оларды фрикционды, антифрикционды және аққышталған деп бөледі.

Фрикционды шойынның қажалу коэффициенті, тозуға төзімділігі және үлкен температура интервалында сыдырылуға қарсылығы жоғары. Фрикционды шойын құрамындағы никель, хром мен молибден және басқа қоспалы элемменттері шойынның беріктігі мен тозуға төзімділігін арттырады. Поршень шығыршығына керекті шойын тозуға төзімділікпен бірге үлкен серпімділік көрсетуі қажет. Бұндай талапты металға пластинкалы, перлит негізді фосфоритті және сұр шойын сай келеді.

Антифрикционды шойындар – подшипникті және басқа қажалу тораптарының жұмысына арналады. Бұл шойындар металмен, қажалуда жақсы қажалу бетімен жұмыстарға ыңғайлы болуы керек. Антифрикционды материал түрінде сұр қоспасыз, соғылғыш, беріктігі жоғары және легірленген АСЧ1, АСЧ2, АСЧ3, АС4 – 1, АВЧ – 2, АКЧ – 1, АКЧ – 2, әрі басқа (МЕСТ 1585 – 85) шойындар қолданылады.

Аққышталған шойын белгілі тереңдікке ақ шойын, ал ішкі жағы сұр болып келеді. Мұндай шойынды жұмыс істейтін созғыш бөлшектер жасауға пайдаланады. Шойын құймасындағы аққышталған қабатын оның бетін тазарту арқылы алады, мысалы металл формасына құюмен.

Ыстыққа төзімді шойын тотбасуғада төзімді. Ыстыққа төзімді шойын ретінде (МЕСТ 7769 – 85) құрамында көп алюминий бар (ЖЧ – 10 маркалы) немесе хром қосқандары (ХЧХ – 1,5; ЖЧХ – 30 маркалары ) қолданылады.

Тотқа төзімді шойын агрессивті ортада жұмыс істейді, оларды алюминиймен, хроммен, никельмен, мыспен (4НХТ, 4Н15, Г1Х2, Д7Х2 және басқалармен 11849 – 85 МЕСТ) қоспалайды.