Вплив хімічного складу і швидкості охолодження на структуру і властивості чавуну

Чавун – це багатокомпонентний сплав, до складу якого, крім Fe i C, входять Si, Mn, P, S. Для цілеспрямованого впливу на процес отримання білих або сірих чавунів необхідно знати як впливають ці елементи, а також швидкість охолодження на процес графітизації, тобто на процес утворення графіту.

Вуглець і кремній є сильними графітизуючими елементами. Тому для отримання сірого чавуну слід збільшувати кількість кремнію, а білого – зменшувати його вміст.

Марганець, навпаки, утруднює процес графітизації чавуну і сприяє отриманню структури білого чавуну. Це пов’язано з тим, що Mn - карбідоутворюючий елемент. Тому вміст марганцю в сірих чавунах не повинен перевищувати 1,25%.

Сірка є шкідливою домішкою у чавуні. Вона погіршує ливарні властивості та утруднює процес графітизації чавуну, тому вміст сірки в сірих чавунах обмежується 0,15%.

Фосфор практично не впливає на процес графітизації чавуну, але підвищує його рідкотекучість, що пов’язано з утворенням легкоплавкої евтектики. Крім того, фосфідна евтектика має високу твердість, завдяки чому підвищується зносостійкість сірого чавуну, а також його крихкість. Звичайно вміст фосфору в сірому чавуні не перевищує 0,3…0,4%.

Значний вплив на структуру чавуну має швидкість охолодження. При повільному охолодженні процес кристалізації відбувається за стабільною діаграмою, а при швидкому охолодженні – за метастабільною, тобто повільне охолодження сприяє отриманню сірого чавуну, а швидке охолодження – білого.

Сірі, високоміцні та ковкі чавуни. Сірі чавуни з пластинчастим графітом кристалізуються відповідно до стабільної діаграми залізо - графіт. Вміст вуглецю в цих чавунах становить 2,4…3,8%. Маркують їх літерами “СЧ” і числом, що вказує мінімальне значення границі міцності при розтягуванні в кгс/мм². У відповідності з ГОСТ 1412-85 стандартизовані шість основних марок сірого чавуну: СЧ10, СЧ15, СЧ20, СЧ25, СЧ30 і СЧ35. Для потреб споживачів допускаються також чавуни марок СЧ18, СЧ21 і СЧ24.

Сірі чавуни широко використовуються у верстато- та машинобудуванні.

Феритні сірі чавуни (СЧ10, СЧ15) використовують для слабко- і середньонавантажених деталей: кришок, фланців, маховиків, супортів, корпусів редукторів, гальмових барабанів, дисків зчеплення тощо.

Феритно-перлітні сірі чавуни (СЧ20, СЧ25) застосовуються для деталей, що працюють при підвищених і динамічних навантаженнях: блоки циліндрів, картери двигунів, поршні, барабани зчеплення, станини верстатів та ін.

Перлітні чавуни (СЧ30, СЧ35) використовують для виготовлення деталей, що працюють при високих навантаженнях: станини потужних верстатів і механізмів, гільзи блоків циліндрів, розподільчі вали, зубчасті колеса та ін.

Ковкий чавун. Ковкий чавун отримують з білого тривалим графітизуючим відпалюванням, графік якого наведено на рис.5.6. Тобто спочатку отримують виливок із білого доевтектичного чавуну складу: 2,4…2,9%С; 1,0…1,6%Si; 0,3…1,0%Mn; не більше: 0,18%Р; 0,20%S та 0,08%Cr і товщиною стінок не більше 50 мм.

При відпалюванні виливок нагрівають у печі до температури 950…1000⁰С, при якій фазовий склад чавуну А+Ц. Під час тривалої витримки в межах цих температур (до 15 год.) відбувається перша стадія графітизації, під час якої нестійкий цементит розпадається на аустеніт і графіт, який набуває форму пластівців:

Fe₃C®Fe_g(C)+C. (5.3)

Прискорене охолодження до кімнатної температури після першої стадії графітизації призводить до перетворення аустеніту на перліт і отримання ковкого чавуну на перлітній основі.

Для отримання ковкого чавуну на феритній чи ферито-перлітній основі необхідно провести другу стадію графітизації тривалістю до 30 годин, яку можна здійснити двома способами.

час

Рис.5.6. Графік відпалювання білого чавуну на ковкий

За першим способом після першої стадії графітизації проводять відносно швидке охолодження чавуну до температури ~760⁰С, а потім його дуже повільно охолоджують до 720⁰С. При такому повільному охолодженні від 760 до 720⁰С процес евтектоїдного перетворення відбувається за стабільною діаграмою стану “залізо – графіт”:

А_S¢®Ф_P¢+Г. (5.4)

Графіт, який утворюється в результаті евтектоїдного перетворення, нашаровується на графіт, що утворився на першій стадії графітизації.

За другим способом швидке охолодження після першої стадії графітизації проводять до ~720⁰С і при такій температурі роблять тривалу ізотермічну витримку. При такому режимі охолодження евтектоїдне перетворення аустеніту відбувається за метастабільною діаграмою стану “залізо – цементит”:

А_S®Ф_P+Ц_K. (5.5)

Цементит вторинний і цементит перліту при витримці розпадається за реакцією:

Fe₃C®Fe_a(С)+С або Ц®Ф+Г. (5.6)

Якщо другу стадію графітизації проводити повністю, то після охолодження отримуємо ковкий чавун на феритній основі, а якщо не повністю – на ферито-перлітній основі.

Ковкі чавуни маркують літерами “КЧ” і двома числами: перше число вказує мінімальне значення границі міцності при розтягуванні, кгс/мм², а друге – відносне видовження ,%. Стандартом (ГОСТ 1215-79) передбачені такі марки ковких чавунів: феритні – КЧ37-12, КЧ35-10, КЧ33-8,. КЧ30-6; перлітні – КЧ45-7, КЧ50-5, КЧ56-4, КЧ60-3, КЧ65-3, КЧ70-2 і КЧ80-1,5.

Ковкі чавуни широко використовують в автомобілебудуванні та сільськогосподарському машинобудуванні. З них виготовляють картери, муфти, важелі, деталі рульового керування, кільця ланцюгів, крюки, елементи карданних валів тощо.

Високоміцні чавуни. Високоміцні чавуни містять близько 3,0…3,6%С. їх отримують модифікуванням рідкого чавуну перед розливанням магнієм або церієм у кількості близько 0,05%.

Відповідно до ДСТУ 3925-99 високоміцні чавуни з кулястим графітом маркують літерами “ВЧ” і двома числами через дефіс, перше з яких вказує гарантоване значення мінімальної границі міцності в МПа, а друге – мінімальне значення відносно видовження у відсотках. Шкідливими домішками у високоміцних чавунах є фосфор і сірка. Фосфор знижує пластичність чавуну внаслідок утворення крихкого фосфіду, тому його кількість обмежується 0,1%. Сірка знижує механічні властивості чавуну внаслідок утворення з Мg або Се крихких сульфідів, а також послаблює модифікуючу дію цих елементів. Тому кількість сірки не повинна перевищувати 0,02%, а в деяких марках (ВЧ800-2, ВЧ900-2, ВЧ1000-2) – 0,01%.

Чавуни марок ВЧ350-22, ВЧ400-15 мають феритну основу, ВЧ450-10 і ВЧ500-7 – феритно-перлітну, ВЧ600-3, ВЧ700-2 і ВЧ800-2 – перлітну. А чавун марки ВЧ1000-2 для забезпечення гарантованої границі міцності σ_в=1000 МПа піддають ізотермічному гартуванню, в результаті чого отримує бейнітну структуру.

Високоміцні чавуни використовують замість литої сталі у виробах та конструкціях відповідального призначення. З них виготовляють колінчасті вали двигунів, поршневі кільця, втулки, зубчасті колеса, прокатні валки тощо.

Чавун з вермикулярним графітом (vermiculus (лат.) – хробак). Вермикулярний графіт, на відміну від пластинчастого має округлі края і менше співвідношення довжини і товщини (2…10 у вермикулярного і значно більше 10 у пластинчастого). Тому вермикулярний графіт значно менше, ніж пластинчастий, послаблює металеву основу. Його можна розглядати як перехідну форму від пластинчастого до кулястого.

Відповідно до ДСТУ 3926-99 чавуни з вермикулярним графітом маркуються літерами “ЧВГ” і двома числами: перше число – мінімальне значення границі міцності при розтягуванні у МПа, друге – мінімальне значення відносного видовження у відсотках. Наприклад, ЧВГ400-4.