Експлуатаційні властивості

Експлуатаційні властивості характеризують здатність матеріалу працювати в конкретних умовах.

1. Зносостійкість – здатність матеріалу чинити опір поверхневому руйнуванню під дією зовнішнього тертя.

2. Корозійна стійкість – здатність матеріалу чинити опір дії агресивних кислотних і лужних середовищ.

3. Жаростійкість – здатність матеріалу чинити опір окисленню в газовому середовищі за високої температури.

4. Жароміцність – здатність матеріалу зберігати свої властивості за високих температур.

5. Холодостійкість – здатність матеріалу зберігати пластичні властивості за негативних температур.

6. Антифрикційність – здатність матеріалу припрацьовуватися до іншого матеріалу.

Ці властивості визначаються спеціальними випробуваннями залежно від умов роботи виробів.

Вибираючи матеріал для створення конструкції, необхідно повністю враховувати механічні, технологічні й експлуатаційні властивості.

Розділ 6. Залізовуглецеві сплави.
Діаграма стану «залізо – вуглець»

6.1. Залізовуглецеві сплави

Залізовуглецеві сплави – сталі і чавуни – найважливіші металеві сплави сучасної техніки. Виробництво чавуну і сталі за об'ємом перевищує виробництво всіх інших металів, разом узятих, більш ніж вдесятеро.

Діаграма стану «залізо – вуглець» дає основне уявлення про будову залізовуглецевих сплавів – сталей і чавунів. Початок вивченню діаграми «залізо – вуглець» поклав Д. К. Чернов у 1868 році, який вперше вказав на існування в сталі критичних точок і на залежність їх положення від вмісту вуглецю.

Діаграма «залізо – вуглець» повинна розповсюджуватися від заліза до вуглецю. Залізо утворює з вуглецем хімічну сполуку: цементит – Fe₃C. Кожну стійку хімічну сполуку можна розглядати як компонент, а діаграму – по частинах. Оскільки на практиці застосовують металеві сплави із вмістом вуглецю до 6,67 %, то розглядаємо частину діаграми стану від заліза до хімічної сполуки цементиту, що містить вуглецю 6,67 %.

Діаграма стану «залізо – цементит» представлена на рис. 6.1.

Рис. 6.1. Діаграма стану «залізо – цементит»

6.2. Компоненти і фази залізовуглецевих сплавів

Компонентами залізовуглецевих сплавів є залізо, вуглець і цементит.

1. Залізо – перехідний метал сріблясто-світлого кольору. Має високу температуру плавлення – 1539 ^oС.

У твердому стані залізо може знаходитися в двох модифікаціях. Поліморфні перетворення відбуваються за температур 911 ^oС і 1392 ^oС. За температури нижче 911 ^oСіснує Fe_α з об'ємно-центрованими кубічними ґратами. У інтервалі температур 911–1392 ^oС стійким є Fe_γ з гранецентрованими кубічними ґратами. Вище 1392 ^oС залізо має об'ємно-центровані кубічні ґрати. Високотемпературна модифікація Fe_α не є новою алотропічною формою. Критичну температуру 911 ^oС перетворення Fe_α в Fe_γ позначають крапкою, а температуру 1392 ^oС– перетворення А.

За температури нижче 768 ^oС залізо феромагнітне, а вище – парамагнітне. Точка Кюрі заліза 768 ^oС позначається G.

Залізо технічної чистоти має невисоку твердість (80 НВ) і міцність (межа міцності – σ_В = 250 МПа, межа текучості – σ_Т = 120 МПа) і високу характеристику пластичності (відносне видовження δ = 50 %, а відносне звуження ψ = 80 %). Властивості можуть змінюватися в деяких межах залежно від величини зерна.

Залізо характеризується високим модулем пружності, наявність якого виявляється і в сплавах на його основі, забезпечуючи високу жорсткість деталей із цих сплавів.

Залізо з багатьма елементами утворює розчини: з металами – розчини заміщення, з вуглецем, азотом і воднем – розчини впровадження.

2. Вуглець належить до неметалів. Здатний до поліморфного перетворення, залежно від умов утворення існує у формі графіту з гексагональною кристалічною решіткою (температура плавлення – 3500 ^oС, щільність – 2,5 г/см³) або у формі алмазу зі складними кубічними ґратами з координаційним числом рівним чотирьом (температура плавлення – 5000 ^oС).

У сплавах заліза з вуглецем вуглець знаходиться в стані твердого розчину із залізом і у вигляді хімічної сполуки – цементита (Fe₃C), а також у вільному стані у вигляді графіту (у чавунах).

3. Цементит (Fe₃C) – хімічна сполука заліза з вуглецем (карбід заліза), містить 6,67 % вуглецю.

Алотропічних перетворень не спостерігається. Кристалічна решітка цементита складається з ряду октаедрів, вісі яких нахилені одна до одної.

Температура плавлення цементиту точно не встановлена (1250–1550 ^oС). За низьких температур цементит слабо феромагнітний, магнітні властивості втрачає за температури близько 217 ^oС.

Цементит має високу твердість (більше 800 НВ, легко дряпає скло), але надзвичайно низьку, практично нульову, пластичність. Такі властивості є наслідком складної будови кристалічної решітки.

Цементит здатний утворювати тверді розчини заміщення. Атоми вуглецю можуть заміщатися атомами неметалів: азотом, киснем; атоми заліза – металами: марганцем, хромом, вольфрамом та ін. Такий твердий розчин на базі ґрат цементиту називається легованим цементитом.

Цементит – сполука нестійка і за певних умов розпадається з утворенням вільного вуглецю у вигляді графіту. Цей процес має важливе практичне значення у ході структуроутворення чавунів.

У системі «залізо – цементит» існують наступні фази: рідка фаза, ферит, аустеніт, цементит.

1. Рідка фаза. У рідкому стані залізо добре розчиняє вуглець у будь-яких пропорціях з утворенням однорідної рідкої фази.

2. Ферит (Ф) (C) – твердий розчин впровадження вуглецю в залізо.

Ферит має змінну граничну розчинність вуглецю: мінімальну – 0,006 % (за кімнатної температур), максимальну – 0,02 % (за температури 727 ^oС). Вуглець розташовується в дефектах ґрат.

За температури вище 1392 ^oСіснує високотемпературний ферит (Fe_σ (C)), із граничною розчинністю вуглецю 0,1 % за температури 1499 ^oC (точка J).

Властивості фериту близькі до властивостей заліза. Він м'який (твердість – 130 НВ, межа міцності σ_В = 300 МПа) і пластичний (відносне видовження – σ = 30 %), магнітний до 768 ^oС.

3. Аустеніт (А) (С) – твердий розчин включення вуглецю в залізо.

Вуглець займає місце в центрі гранецентрованого кубічного осередку.

Аустеніт має змінну граничну розчинність вуглецю: мінімальну – 0,8 % (за температури 727 ^oС (точка S)), максимальну – 2,14 % (за температури 1147 ^oС (точка Е)).

Аустеніт має твердість 200–250 НВ, пластичний (відносне видовження σ = 40–50 %), парамагнітний.

У разі розчинення в аустеніті інших елементів, можуть змінюватися властивості і температурні межі існування.

6.3. Структури залізовуглецевих сплавів

Усі сплави системи «залізо – цементит» за структурною ознакою ділять на дві великі групи: сталі і чавуни.

Особливу групу складають сплави із вмістом вуглецю менше 0,02 % (точка Р), їх називають технічне залізо. Мікроструктури сплавів представлені на рис. 6.2. Структура таких сплавів після закінчення кристалізації складається або із зерен фериту (рис. 6.2 а), за вмісту вуглецю менше 0,006 %, або із зерен фериту і кристалів цементиту третинного, розташованих по межах зерен фериту (рис. 6.2 б), якщо вміст вуглецю становить від 0,006 до 0,02 %.

а) б)

Рис. 6.2. Мікроструктури технічного заліза:
а – вміст вуглецю менше 0,006 %;
б – вміст вуглецю становить 0,006–0,02 %

Вуглецевими сталями називають сплави заліза з вуглецем (містять 0,02–2,14 % вуглецю), що закінчують кристалізацію утворенням аустеніту. Вони мають високу пластичністю, особливо в аустенітному стані.

Структура сталей формується в результаті перекристалізації аустеніту. Мікроструктури сталей представлені на рис. 6.3.

а) б) в) г)

Рис. 6.3. Мікроструктури сталей: а – доевтектоїдна сталь;
б – евтектоїдна сталь (пластинчастий перліт); в – евтектоїдна сталь (зернистий перліт); г – заевтектоїдна сталь

За вмістом вуглецю і структурою сталі поділяються на доевтектоїдні – структура ферит + перліт (рис. 6.3 а); евтектоїдні – структура перліт (П), перліт може бути пластинчастий або зернистий (рис. 6.3 б і 6.3 в); заевтектоїдні – структура перліт + цементит вторинний (П + ЦII), цементитна ґратка розташовується навколо зерен перліту.

За мікроструктурою сплавів можна приблизно визначити кількість вуглецю у складі сплаву, враховуючи наступне: кількість вуглецю в перліті складає 0,8 %, у цементиті – 6,67 %. Зважаючи на малу розчинність вуглецю у фериті, приймається, що в ньому вуглецю немає.

Сплави заліза з вуглецем, що містять вуглецю більше 2,14 % (до 6,67 %) й закінчують кристалізацію утворенням евтектики (ледебуриту), називають чавунами.

Наявність легкоплавкого ледебуриту в структурі чавунів підвищує їх ливарні властивості.

Чавуни, що кристалізуються відповідно до діаграми стану «залізо – цементит», відрізняються високою крихкістю. Колір їх зламу – сріблясто-білий. Такі чавуни називаються білими чавунами.

Мікроструктури білих чавунів представлені на рис. 6.4.

а) б) в)

Рис. 6.4. Мікроструктури білих чавунів: а – доевтектичний білий чавун; б – евтектичний білий чавун; в – заевтектичний білий чавун

За кількістю вуглецю і структурою білі чавуни поділяються на: доевтектичні – структура перліт + ледебурит + цементит вторинний; евтектичні – структура ледебурит (рис. 6.4 б); заевтектичні – структура ледебурит + цементит первинний (рис. 6.4 в).

У структурі доевтектичних білих чавунів присутній цементит вторинний, який утворюється в результаті зміни складу аустеніту під час охолодженні (по лінії ES). У структурі цементит вторинний зливається з цементитом, що входить до складу ледебуриту.

Фазовий склад сталей і чавунів за нормальних температур один і той же, вони складаються з фериту і цементиту. Проте властивості сталей і білих чавунів значно відрізняються. Таким чином, основним чинником, що визначає властивості сплавів системи «залізо – цементит», є їх структура.

Розділ 7. СталІ.
Класифікація і маркування сталей

7.1. Вплив вуглецю і домішок на властивості сталей

Сталі є найбільш поширеними матеріалами, оскільки володіють гарними механічними і технологічними властивостями. Вироби отримують у результаті обробки тиском і різанням.

Сталі поділяють на вуглецеві і леговані.

Вуглецеві сталі є основними. Їх властивості визначаються кількістю вуглецю і вмістом домішок, які взаємодіють із залізом і вуглецем.

Вплив вуглецю

Вплив вуглецю на властивості сталей показаний на рис. 7.1.

δ

σB

НВ

Ψ

Ψ,δ %

НВ

С,%

1,2

0,8

0,4

σB,МПа

Рис. 7.1. Вплив вуглецю на властивості сталей

Зі зростанням умісту вуглецю в структурі сталі збільшується кількість цементиту за одночасного зниження частки фериту. Зміна співвідношення між складовими призводить до зменшення пластичності, а також до підвищення міцності і твердості. Міцність підвищується до вмісту вуглецю близько 1 %, а потім вона зменшується, оскільки утворюється груба ґратка цементиту вторинного.

Вуглець впливає також і на в'язкі властивості. Збільшення вмісту вуглецю підвищує поріг холодокрихкості і знижує ударну в'язкість, підвищуються електроопір, знижуються магнітна проникність і щільність магнітної індукції.

Вуглець впливає і на технологічні властивості. Підвищення вмісту вуглецю погіршує ливарні властивості сталі (використовуються сталі із вмістом вуглецю до 0,4 %), оброблюваність тиском і різанням, зварюваність. Слід враховувати, що сталь із низьким умістом вуглецю також погано обробляється різанням.

Вплив домішок

У сталях завжди присутні домішки, що поділяються на чотири групи.

1. Постійні домішки: кремній, марганець, сірка, фосфор.

Марганець і кремній вводяться в процесі виплавки сталі для розкислювання, вони є технологічними домішками.

Вміст марганцю не перевищує 0,5–0,8 %. Марганець підвищує міцність, не знижуючи пластичності, і різко знижує червоноламкість сталі, викликану впливом сірки. Він сприяє зменшенню вмісту сульфіду заліза FеS, оскільки утворює з сіркою з'єднання сульфід марганцю MnS. Частинки сульфіду марганцю розташовуються у вигляді окремих включень, які деформуються і виявляються витягнутими вздовж напряму стискання.

Вміст кремнію не перевищує 0,35–0,4 %. Кремній, дегазуючи метал, підвищує щільність злитку. Кремній розчиняється у фериті й підвищує міцність сталі, особливо підвищується межа текучості. Але спостерігається деяке зниження пластичності, що знижує здатність сталі до витягування.

Вміст фосфору в сталі становить 0,025–0,045 %. Фосфор, розчиняючись у фериті, спотворює кристалічну решітку і збільшує межу міцності і межу текучості, але знижує пластичність і в'язкість.

Розташовуючись поблизу зерен, фосфор збільшує температуру переходу в крихкий стан, викликає холодокрихкість, зменшує розповсюдження тріщин, Підвищення вмісту на кожну 0,01 % підвищує поріг холодокрихкості на 20–25 ^oС.

Фосфор має схильність до ліквації, тому в центрі злитку окремі ділянки мають різко знижену в'язкість.

Для деяких сталей можливе збільшення вмісту фосфору до 0,10–0,15 % для поліпшення оброблюваності різанням.

Сірка(S)зменшує пластичність, зварюваність і корозійну стійкість. Р викривляє кристалічну решітку.

Вміст сірки в сталях складає 0,025–0,06 %. Сірка – шкідлива домішка, потрапляє в сталь із чавуну. У процесі взаємодії із залізом утворює хімічну сполуку – сульфід сірки FеS, який, у свою чергу, утворює із залізом легкоплавку евтектику з температурою плавлення 988 ^oС. За нагріву під час обробки тиском евтектика плавиться, порушуються зв'язки між зернами. За деформації в місцях розташування евтектики виникають надриви і тріщини, заготівка руйнується. Це явище називається червоноламкістю.

Червоноламкість – підвищення крихкості за дії високих температур.

Сірка знижує механічні властивості, особливо ударну в'язкість, пластичність і межу витривалості. Вона погіршує зварюваність і корозійну стійкість.

2. Приховані домішки – гази (азот, кисень, водень) – потрапляють у сталь під час виплавки.

Азот і кисень знаходяться в сталі у вигляді крихких неметалічних включення: оксидів (FеO, SiO₂, Al₂O₃), нітриду (Fe₂N), у вигляді твердого розчину або у вільному стані, розташовуючись у дефектах (раковинах, тріщинах).

Домішки занурення (азот N, кисень О₂) підвищують поріг холоднокрихкості і знижують опір крихкому руйнуванню. Неметалічні (оксиди, нітриди) включення, можуть значно знизити межу витривалості і в'язкість.

Флокени – тонкі тріщини овальної або округлої форми, що мають у зламі вид плям – пластівців сріблястого кольору.

Метал із флокенами не можна використовувати в промисловості, під час зварювання утворюються холодні тріщини в наплавленому й основному металі.

Якщо водень знаходиться в поверхневому шарі, то він виділяється в результаті нагрівання до 150–180^oС або у вакуумі.

Для видалення прихованих домішок використовують вакуумування.

3. Спеціальні домішки – спеціально вводяться в сталь для набуття заданих властивостей. Домішки називаються легуючими елементами, а сталі – легованими сталями.

7.2. Призначення легуючих елементів та їх розподіл у сталях

Основним легуючим елементом є хром 0,8–1,2 %. Він підвищує прожарювання, сприяє отриманню високої і рівномірної твердості сталі.

Додаткові легуючі елементи

Бор – 0,003 %. Збільшує прожарюваність, а також підвищує поріг холоднокрихкості (+ 20–60 ^oС.)

Марганець збільшує прожарюваність, проте сприяє зростанню зерна, і підвищує поріг холоднокрихкості до + 40–60 ^oС.

Титан (~0,1 %) вводять для подрібнення зерна в хромомарганцевій сталі.

Введення молібдену (0,15–0,46 %) у хромистих сталях збільшує прожарюваність, зменшує поріг холоднокрихкості до -20…-120 ^oС. Молібден збільшує статичну, динамічну і втомну міцність сталі, усуває схильність до внутрішнього окислення. Крім того, молібден знижує схильність до відпускної крихкості сталей, що містять нікель.

Ванадій у кількості 0,1–0,3 % у хромистих сталях подрібнює зерно і підвищує міцність і в'язкість.

Введення в хромисті сталі нікелю значно підвищує міцність і прожарюваність, знижує поріг холоднокрихкості, але одночасно підвищує схильність до відпускної крихкості (цей недолік компенсується введенням у сталь молібдену). Хромонікелеві сталі мають найкращий комплекс властивостей. Проте нікель є дефіцитним, тому застосування таких сталей обмежене.

Значну кількість нікелю можна замінити міддю, це не призводить до зниження в'язкості.

Легуючи хромомарганцеві сталі кремнієм, отримують сталі хромансиль (20ХГС, 30ХГСА). Сталі мають гарне поєднання міцності і в'язкості, добре зварюються, штампуються і обробляються різанням. Кремній підвищує ударну в'язкість і температурний запас в'язкості.

Додавання свинцю, кальцію покращує оброблюваність різанням. Застосування зміцнення термічної обробки покращує комплекс механічних властивостей.

Розподіл легуючих елементів у сталі

Легуючі елементи розчиняються в основних фазах залізовуглецевих сплавів (ферит, аустеніт, цементит) або утворюють спеціальні карбіди.

Розчинення легуючих елементів відбувається в результаті заміщення атомів заліза атомами цих елементів. Ці атоми створюють у ґратах напругу, яка викликає зміну її періоду.

Зміну розмірів ґрат викликає зміна властивостей фериту – міцність підвищується, пластичність зменшується. Хром, молібден і вольфрам зміцнюють менше, ніж нікель, кремній і марганець. Молібден і вольфрам, а також кремній і марганець у певних кількостях знижують в'язкість.

У сталях карбіди утворюються металами, розташованими в таблиці Д. І. Менделєєва лівіше за залізо (хром, ванадій, титан), які мають менш добудовану d-електронну смугу.

За співвідношення атомних радіусів вуглецю і металу більше 0,59утворюються типові хімічні сполуки – Fe₃C, Mn₃C, Cr₂₃C₆, Cr₇C₃, Fe₃W₃C, – які мають складну кристалічну решітку і за нагрівання розчиняються в аустеніті.

За співвідношення атомних радіусів вуглецю і металу менше 0,59утворюються фази впровадження – Mo₂C, WC, VC, T_IC, T_аC, W₂C,– які мають просту кристалічну решітку і важко розчиняються в аустеніті.

Усі карбіди мають високу твердість і температуру плавлення.

7.3. Класифікація і маркування сталей

Сталі класифікуються за наступними ознаками:

1. За хімічним складом: вуглецеві і леговані.

2. За вмістом вуглецю:

§ низковуглецеві, із вмістом вуглецю до 0,25 %;

§ середньовуглецеві, із вмістом вуглецю 0,3–0,6 %;

§ високовуглецеві, із вмістом вуглецю вище 0,6 %.

3. За рівноважною структурою: доевтектоїдні, евтектоїдні, заевтектоїдні.

4. За якістю. Кількісним показником якості є вміст шкідливих домішок – сірки і фосфору:

0,04 £ S £ 0,06 % – вуглецеві сталі звичайної якості:

P, S = 0,03–0,04 % – якісні стали;

P, S £ 0,03 – високоякісні стали.

5. За способом виплавки:

§ у мартенівських печах;

§ у кисневих конверторах;

§ у електричних печах: електродугових, індукційних та ін.

6. За призначенням:

§ конструкційні – застосовуються для виготовлення деталей машин і механізмів;

§ інструментальні – застосовуються для виготовлення різних інструментів;

§ спеціальні – сталі з особливими властивостями: електротехнічні, з особливими магнітними властивостями та ін.

Маркування сталей

Прийнято літерно-цифрове позначення сталей.

Вуглецеві сталі звичайної якості (ГОСТ 380) містять підвищену кількість сірки і фосфору.

Маркуються Ст2кп, Бст3кп, Вст3пс, Вст4сп.

Ст – індекс даної групи сталі. Цифри від 0до 6 – це умовний номер марки сталі. Зі збільшенням номера марки зростає міцність і знижується пластичність сталі. По гарантіях при постачанні існує три групи сталей: А, Б і В. Для сталей групи А при постачанні гарантуються механічні властивості, в позначенні індекс групи А не вказується. Для сталей групи Б гарантується хімічний склад. Для сталей групи В при постачанні гарантуються і механічні властивості, і хімічний склад.

Індекси кп, пс, сп вказують ступінь розкислення сталі: кп – кипляча, пс – напівспокійна, сп – спокійна.

Якісні вуглецеві сталі. Якісні сталі поставляють із гарантованими механічними властивостями і хімічним складом (група В). Ступінь розкислення, в основному, спокійний.

Конструкційні якісні вуглецеві сталі. Маркуються двозначним числом, вказуючи середній вміст вуглецю в сотих долях відсотка. Вказується ступінь розкислення, якщо вона відрізняється від спокійної.

Сталь 08 кп, сталь 10 пс, сталь 45.

Вміст вуглецю становить, відповідно, 0,08 %, 0,10 %, 0,45 %.

Інструментальні якісні вуглецеві сталі маркуються буквою У (вуглецева інструментальна сталь) і числом, що вказує вміст вуглецю в десятих долях відсотка.

Сталь У8, сталь У13.

Зміст вуглецю становить, відповідно, 0,8 % і 1,3 %

Інструментальні високоякісні вуглецеві стали. Маркуються аналогічно якісним інструментальним вуглецевим сталям, тільки в кінці марки ставлять букву А для позначення високої якості сталі.

Сталь У10А.

Якісні і високоякісні леговані сталі. Позначення літерно-цифрове. Легуючі елементи мають умовні позначення. Позначаються літерами російського алфавіту.

Позначення легуючих елементів:

Х – хром, Н – нікель, М – молібден, В – вольфрам, К – кобальт,
Т – титан, А – азот (вказується в середині марки), Г – марганець,
Д – мідь, Ф – ванадій, С – кремній, П – фосфор, Р – бор, Би – ніобій, Ц – цирконій, Ю – алюміній.

Леговані конструкційні сталі. Сталь 15Х25Н19ВС2. На початку марки вказується двозначне число, що показує вміст вуглецю в сотих долях відсотка. Далі перераховуються легуючі елементи. Число, наступне за умовним позначення елементу, показує його вміст у відсотках. Якщо число не стоїть, то вміст елементу не перевищує 1,5 %. У вказаній марці сталі міститься 0,15 % вуглецю, 25 % хрому, 19 % нікелю, до 1,5 % вольфраму, до 2 % кремнію. Для позначення високоякісних легованих сталей у кінці марки вказується символ А.

Леговані інструментальні сталі. На початку марки вказується однозначне число, що показує вміст вуглецю в десятих долях відсотка. За вмісту вуглецю понад 1 % число не вказується.

Сталь 9ХС, сталь ХВГ. Далі перераховуються легуючі елементи з відповідним їх вмістом.

Швидкорізальні інструментальні сталі. Сталь Р18. Р – індекс даної групи сталей (від «rapid» – швидкість). Вміст вуглецю становить понад 1 %. Число показує вміст основного легуючого елементу – вольфраму. У вказаній сталі вміст вольфраму – 18 %. Якщо сталі містять легуючі елементи, то їх вміст вказується після позначення відповідного елементу.

P6M5 – 6 % W, 5 % Mo.

Шарикопідшипникові сталі. Сталь ШХ6, сталь ШХ15ГС.
Ш – індекс даної групи сталей. Х – вказує на наявність у сталі хрому. Наступне число показує вміст хрому в десятих долях відсотка:
у вказаних сталях, відповідно, 0,6 % і 1,5 %. Також вказуються легуючі елементи. Вміст вуглецю становить понад 1 %.

Розділ 8. Чавуни. Будова, властивості, класифікація і маркування чавунів

8.1. Класифікація чавунів

Чавун відрізняється від сталі: за складом – більший вміст вуглецю і домішок; за технологічними властивостями – кращі ливарні властивості, мала здатність до пластичної деформації, майже не використовується в зварних конструкціях.

Залежно від розташування вуглецю в чавуні, розрізняють:

· білий чавун – вуглець у зв'язаному стані у вигляді цементиту, в зламі має білий колір і металевий блиск;

· сірий чавун – весь вуглець або більша частина знаходиться у вільному стані у вигляді графіту, а в зв'язаному стані міститься не більше 0,8 % вуглецю. Через велику кількість графіту його злам має сірий колір;

· половинчастий – частина вуглецю знаходиться у вільному стані у формі графіту, але не менше 2 % вуглецю знаходиться у формі цементиту. Мало використовується в техніці.

Процес графітизації

Графіт – це поліморфна модифікація вуглецю. Оскільки графіт містить 100 %вуглецю, а цементит – 6,67 %, то рідка фаза й аустеніт за складом ближчі до цементиту, ніж до графіту. Отже, утворення цементиту з рідкої фази й аустеніту повинне протікати легше, ніж графіту.

З іншого боку, за нагрівання цементит розкладається на залізо і вуглець. Отже, графіт є стабільнішою фазою, ніж цементит.

Можливі два шляхи утворення графіту в чавуні.

1. За сприятливих умов (наявність у рідкій фазі готових центрів кристалізації графіту і дуже повільне охолодження) відбувається безпосереднє утворення графіту з рідкої фази.

2. У процесі розкладання цементиту, що утворився раніше.
За температур вище 738 ^oСцементит розкладається на суміш аустеніту і графіту за схемою:

.

За температур нижче 738 ^oСрозкладання цементиту здійснюється за схемою:

.

За малих швидкостей охолодження ступінь розкладання цементиту більший.

Графітизацію з рідкої фази, а також від розпаду цементиту первинного і цементиту, що входить до складу евтектики, називають первинною стадією графітизації (рис. 8.1).

Виділення вторинного графіту з аустеніту називають проміжною стадією графітизації.

Утворення евтектоїдного графіту, а також графіту, цементиту, що утворився в результаті, входить до складу перліту, називають вторинною стадією графітизації.

Структура чавунів залежить від ступеню графітизації, тобто від того, скільки вуглецю знаходиться в зв'язаному стані.

П+Ц

Рис. 8.1. Схема утворення структур при графітизації

Витримка за температури понад 738 ^oСприводить до графітизації надмірного цементиту, що не розчинився. Якщо процес завершити повністю, то за високої температури структура складатиметься з аустеніту і графіту, а після охолодження – з перліту і графіту.

У разі незавершеності процесу первинної графітизації, вище за температуру 738 ^oС,структура складається з аустеніту, графіту і цементиту, а нижче за цю температуру – з перліту, графіту і цементиту.

Під час переходу через критичну точку перетворення аустеніту в перліт і витримки за температури, що нижче критичної, відбудеться розпад цементиту, який входить до складу перліту (вторинна графітизація). Якщо процес завершений повністю, то структура складається з фериту і графіту, якщо процес не завершений – з перліту, фериту і графіту.

8.2. Будова, властивості, класифікація і маркування сірих чавунів

Із розгляду структур чавунів можна стверджувати, що їх металева основа схожа на структуру евтектоїдної або доевтектоїдної сталі або технічного заліза. Відрізняються від сталі тільки наявністю графітових включень, що визначають спеціальні властивості чавунів.

Залежно від форми графіту і умов його утворення розрізняють наступні групи чавунів (рис. 8.2): сірий – з пластинчастим графітом А; високоміцний – із кулькоподібним графітом Б; ковкий – із пластинчастим графітом В.

Схеми мікроструктур чавуну (залежно від металевої основи і форми графітових включень) представлені на рис. 8.2.

			Сірий		Ковкий		Високо-міцний

	Перліт

Рис. 8.2. Схеми мікроструктур чавуну
залежно від металевої основи і форми графітових включень

Найбільшого поширення набули чавуни із вмістом вуглецю 2,4–3,8 %. Чим вище вміст вуглецю, тим більше утворюється графіту і тим нижчі його механічні властивості, отже, кількість вуглецю не повинна перевищувати 3,8 %. У той же час для забезпечення високих ливарних властивостей вуглецю повинно бути не менше 2,4 %.

Вплив складу чавуну на процес графітизації

Вуглець і кремній сприяють графітизації, марганець ускладнює графітизацію і сприяє вибілюванню чавуну. Сірка сприяє вибілюванню чавуну і погіршує ливарні властивості, її вміст обмежений 0,08–0,12 %. Фосфор на процес графітизації не впливає, але покращує рідко текучість. Фосфор є в чавунах корисною домішкою, його вміст складає 0,3–0,8 %.

Вплив графіту на механічні властивості відливання

Графітові включення можна розглядати як відповідної форми порожнечі в структурі чавуну. Біля таких дефектів за умов навантаження концентрується напруга, значення якої тим більше, чим гостріша форма дефекту. Звідси витікає, що графітові включення пластинчастої форми в максимальній мірі приводять до зменшення міцності металу. Сприятливішою є пластинчаста форма, а оптимальною є куляста форма графіту. Пластичність залежить від форми аналогічно. Відносне видовження ( ) для сірих чавунів складає 0,5 %, для ковких – до 10 %, для високоміцних – до 15 %.

Наявність графіту знижує опір за жорстких способів навантаження: удар, розрив. Опір стисненню знижується мало.

Позитивні сторони наявності графіту:

· графіт покращує оброблюваність різанням, оскільки утворюється стружка зламу;

· чавун має кращі антифрикційні властивості, в порівнянні зі сталлю, оскільки наявність графіту забезпечує кращу антизадирну властивість поверхонь;

· через мікропорожнин, що заповнені графітом, чавун добре гасить вібрації і має підвищену циклічну в'язкість;

· деталі з чавуну не чутливі до зовнішніх концентраторів напруг (виточки, отвори, переходи в перетинах);

· чавун значно дешевше сталі;

· виробництво виробів із чавуну литтям дешевше за виготовлення виробів із сталевих заготовок обробкою різанням, а також литвом і обробкою тиском із подальшою механічною обробкою.

Сірий чавун

Структура не впливає на пластичність, яка є низькою, але впливає на твердість. Механічна міцність в основному визначається кількістю, формою і розмірами включень графіту. Дрібні, завихрені форми графіту знижують міцність. Така форма досягається шляхом модифікування. У якості модифікаторів застосовують алюміній, силікокальцій, феросиліцій.

Сірий чавун широко застосовується в машинобудуванні, оскільки легко обробляється, має хороші технологічні властивості та є найдешевшим конструкційним матеріалом.

Залежно від міцності сірий чавун поділяється на 10марок (ГОСТ 1412).

Сірі чавуни за малого опору розтягуванню мають достатньо високий опір стисненню.

Сірі чавуни містять вуглецю 3,2–3,5 %; кремнію – 1,9–2,5 %; марганцю – 0,5–0,8 %; фосфору – 0,1–0,3 %; сірки – <0,12 %.

Структура металевої основи залежить від кількості вуглецю і кремнію. Зі збільшенням вмісту вуглецю і кремнію збільшується ступінь графітизації і схильність до утворення феритної структури металевої основи. Це веде до послаблення чавуну без підвищення пластичності.

Враховуючи малий опір відливків із сірого чавуну розтягуючим і ударним навантаженням, слід використовувати цей матеріал для деталей, які піддаються стискаючим навантаженням або згинанню. У верстатобудуванні це – базові, корпусні деталі, кронштейни, зубчаті колеса, направляючі; у автобудуванні – блоки циліндрів, поршневі кільця, розподільні вали, диски зчеплення. Відливки з сірого чавуну також використовуються в електромашинобудуванні, для виготовлення товарів народного споживання.

Позначаються індексом СЧ (сірий чавун) і числом, яке показує значення межі міцності СЧ 15 (15 кгс/см²; 1,5 МПа).

8.3. Високоміцний чавун із кулькоподібним графітом

Високоміцні чавуни (ГОСТ 7293) можуть мати феритну (ВЧ35), феритоперлітну (ВЧ45) і перлітну (ВЧ80) металеву основу. Отримують ці чавуни з сірих шляхом модифікування магнієм або церієм (додається 0,03–0,07 %від маси відливку). В порівнянні з сірими чавунами, механічні властивості підвищуються. Це викликано відсутністю нерівномірності в розподілі напруг через кулькоподібні форми графіту.

Чавуни з перлітною металевою основою мають високі показники міцності за меншого значення пластичності. Співвідношення пластичності і міцності феритних чавунів є зворотним.

Високоміцні чавуни мають високу межу текучості:

σ_т = 300–420 МПа,

що вище за межу текучості сталевих відливків. Також характерною є достатньо висока ударна в'язкість і втомна міцність чавунів із перлітною основою.

Високоміцні чавуни містять: вуглецю – 3,2–3,8 %, кремнію – 1,9–2,6 %, марганцю – 0,6–0,8 %, фосфору – до 0,12 %, сірки – до 0,3 %.

Ці чавуни мають високу рідкотекучість, лінійну усадку (близько 1%), але ливарні напруги у відливаннях вищі, ніж для сірого чавуну. Через високий модуль пружності мають достатньо високу оброблюваність різанням та задовільно зварюються.

Із високоміцного чавуну виготовляють тонкостінні відливки (поршневі кільця), шаботи кувальних молотів, станини і рами пресів і прокатних станів, виливниці, різцетримачі, планшайби.

Відливки колінчастих валів масою до 2–3 т, замість кованих валів зі сталі, мають вищу циклічну в'язкість, малочутливі до зовнішніх концентраторів напруг, мають кращі антифрикційні властивості і значно дешевші.

Позначаються індексом ВЧ (високоміцний чавун) і числом, яке показує значення межі міцності ВЧ 100 (100 кгс/см², 10 МПа).

8.4. Ковкий чавун

Отримують відпалом білого доевтектичного чавуну.

Хороші властивості у відливках забезпечуються, якщо в процесі кристалізації і охолодження відливків у формі не відбувається процес графітизації. Щоб запобігти графітизації, чавуни повинні мати понижений вміст вуглецю і кремнію.

Ковкі чавуни містять: вуглецю – 2,4–3,0 %, кремнію – 0,8–1,4 %, марганцю – 0,3–1,0 %, фосфору – до 0,2 %, сірки – до 0,1 %.

Формування остаточної структури і властивостей відливків відбувається в процесі відпалу, схема якого представлена на рис. 8.3.

Відливки витримують у печі за температури 950–1000^oСпротягом 15–20 годин. Відбувається розкладання цементиту:

Fe₃C®Fe_γ(C)+C.

Структура після витримки складається з аустеніту і графіту (вуглець відпалу). У процесі повільного охолодження в інтервалі 760–720^oС відбувається розкладання цементиту, що входить до складу перліту, і структура після відпалу складається з фериту і вуглецю відпалу (виходить феритний ковкий чавун).

Рис. 8.3. Відпал ковкого чавуну

За відносно швидкого охолодження (режим б, рис. 8.4) друга стадія повністю усувається, і виходить перлітний ковкий чавун.

Структура відпаленого чавуну за режимом в складається з перліту, фериту і графіту відпалу (виходить феритно-перлітний ковкий чавун).

Відпал є тривалою (70–80годин) і дорогою операцією. Останнім часом, у результаті вдосконалень, тривалість скоротилася до 40 годин.

Розрізняють 7 марок ковкого чавуну: три – з феритною (КЧ 30–6) і чотири – з перлітною (КЧ 65 – 3) основою (ГОСТ 1215).

За механічними і технологічними властивостями ковкий чавун займає проміжне положення між сірим чавуном і сталлю. Недоліком ковкого чавуну, в порівнянні з високоміцним, є обмеження товщини стінок для відливання і необхідність відпалу.

Відливки з ковкого чавуну застосовуються для деталей, що працюють за ударних і вібраційних навантажень.

Позначаються індексом КЧ (високоміцний чавун) і двома числами, перше з яких показує значення межі міцності, а друге – відносне видовження – КЧ 30-6 (межа міцності – 30 кгс/см², відносне видовження – 6 %).

Вибілені й інші чавуни

Вибілені – відливки, поверхня яких складається з білого чавуну, а всередині – сірий або високоміцний чавун.

У складі чавуну 2,8–3,6 % вуглецю і понижений вміст кремнію –0,5–0,8 %.

Мають високу поверхневу твердість (950–1000 НВ) і дуже високу зносостійкість. Використовуються для виготовлення прокатних валів, вагонних коліс із вибіленим ободом, кульок для кульових млинів.

Для виготовлення деталей, що працюють в умовах абразивного зносу, використовуються білі чавуни, леговані хромом, хромом і марганцем, хромом і нікелем. Відливання з такого чавуну відрізняються високою твердістю і зносостійкістю.

Для деталей, що працюють в умовах зносу за високих температур, використовують високохромисті і хромонікелеві чавуни. Жаростійкість досягається легуванням чавунів кремнієм (5–6 %) і алюмінієм (1–2 %). Корозійна стійкість збільшується легуванням хромом, нікелем, кремнієм.