Структура і класифікація чавунів

Механічні властивості і області застосування чавуну визначаються його структурою, в якій найважливішу роль відіграє карбонова складова сплаву.

Формування мікроструктури чавуну залежить від його хімічного складу і швидкості охолодження (товщини) виливки. Змінюючи швидкість охолодження виливки і вміст силіцію можна отримувати чавун різної структури.

Характерною особливістю чавунів є те, що карбон у сплаві може знаходитися не тільки в розчиненому і зв'язаному стані (у вигляді цементиту Fe₃C), а й у вільному стані – у вигляді графіту. При цьому форма включень графіту і структура металевої основи (матриці) визначають основні типи чавуну та їх властивості [2,4,7].

Класифікація чавуну здійснюється за наступними ознаками:

- за станом карбону – вільний або зв'язаний;

- за формою включень графіту – пластинчастий, вермікулярний, кулястий, пластiвцеподiбний (рис. 7);

- за типом структури металевої основи (матриці) – феритною, перлітною, а також чавуни зі змішаною структурою, наприклад, феритно-перлітною;

- за хімічним складом – нелеговані чавуни (загального призначення) і леговані чавуни (спеціального призначення).

 

 

Рис. 7. Структура чавуну з графітом різної форми:

а – пластинчастий графіт в сірому чавуні; б – кулястий графіт у високоміцному чавуні; в – пластівцевий графіт в ковкому чавуні

 

Залежно від стану карбону в чавуні розрізняють:

- білий чавун, в якому весь карбон знаходиться у зв'язаному стані у вигляді цементиту Fe₃C;

- половинчастий чавун, в якому основна кількість карбону (більше 0,8 %) знаходиться у вигляді цементиту;

- сірий чавун, в якому весь карбон або його велика частина знаходиться у вільному стані у вигляді пластинчастого графіту;

- вибілений чавун, в якому основна маса металу має структуру сірого чавуну, а поверхневий шар – білого;

- високоміцний чавун, в якому графіт має кулясту форму;

- ковкий чавун, що виходить з білого шляхом відпалу, при якому вуглець переходить у вільний стан у вигляді пластiвцеподiбного графіту.

Мікроструктура чавуну складається з металевої основи (матриці) і графітових включень. Властивості чавуну визначаються властивостями металевої основи і характеру включень графіту. Чавуни містять наступні структурні складові (рис. 8): графіт (Г), перліт (П), ферит (Ф), ледебурит (Л); фосфідну евтектику.

 

Рис. 8. Мікроструктура чавуну: I – білий; II – сірий; III – сірий феритний;

ІІа – половинчастий; IIб – феритно-перлітний; IV – високоміцний

 

За мікроструктурою розрізняють (див. рис. 8):

- білий чавун I (Ц + Г);

- сірий перлітний чавун II (П + Г);

- сірий феритний чавун III (Ф + Г);

- половинчастий чавун II а (П + Ц + Г);

- високоміцний чавун IV (П + кулястий графіт).

Формування мікроструктури чавуну залежить від його хімічного складу і швидкості охолодження (товщини) виливки. Структура металевої основи визначає твердість чавуну.

У порівнянні з металевою основою графіт має низьку міцність. Місця його розташування можна вважати порушеннями суцільності металу: чавун як би пронизаний включеннями графіту, які послаблюють його металеву основу. По мірі округлення графітних включень (за рахунок модифікування чавуну присадками SiСа, FeSi, Аl, Мg) їх негативна роль як надрізів металевої основи знижується, і механічні властивості чавуну зростають.

Наприклад, сірий чавун (пластинчаста форма графіту) має низькі механічні характеристики, так як пластинки включень графіту відіграють роль концентраторів напружень у відливці. Однак сірий чавун має ряд переваг: високу рідкоплинність і малу ливарну усадку; включення графіту роблять стружку ламкою, дозволяючи легко обробляти чавун різанням; завдяки мастильній дії матеріалу графіту чавун має підвищені антифрикційні властивості; добре гасить вібрації і резонансні коливання. З високоміцних чавунів (куляста форма графіту) виготовляють відповідальні деталі: зубчасті колеса, колінчаті вали тощо.

Промисловість випускає 10 марок сірого чавуну (від СЧ10 до СЧ45). Цифра після букв вказує середнє значення міцності при розтягуванні в десятках МПа.

Для виготовлення хімічної апаратури сірі чавуни використовують обмежено. Вони працюють при температурі до 250 °С і тиску не більше 0,6-0,8 МПа. Хімічна стійкість їх досить низька.

Чавуни СЧ21 і вищих марок можна використовувати для виготовлення деталей, схильних до дії знакозмінних навантажень (наприклад, поршні насосів і компресорів), а чавуни низьких марок – для менш відповідальних деталей.

Чавуни володіють задовільною корозійною стійкістю і нерідко використовуються для виготовлення хімічної апаратури, що працює з температурою стінки від −15 до +250 °С при діаметрі 1000 мм допускається максимальний тиск 0,6 МПа. В цілях підвищення міцності і корозійної стійкості випускають леговані чавуни.

Силіцій сприяє графітизації чавуну. Змінюючи його вміст та швидкість охолодження відливки, можна отримати чавун різної структури.

Манган перешкоджає графітизації і нейтралізує шкідливий вплив сульфуру, утворюючи з нею тугоплавкі з'єднання МnS.

Фосфор не має істотного впливу на процес графітизації. При підвищеному вмісті фосфору в структурі чавуну утворюються тверді включення фосфідної евтектики, яка підвищує його ливарні властивості.

Сульфур є шкідливою домішкою. Вона зумовлює погіршення ливарних властивостей чавуну, збільшення усадки, тріщиноутворення, зниження температури червоноламкості чавуну.

Сірий чавун – це сплав системи Fe-С-Si, що містить в якості домішок манган, фосфор, сульфур. Карбон в сірих чавунах переважно знаходиться у вигляді графіту пластинчастої форми.

Структура відливок визначається хімічним складом чавуну і технологічними особливостями його термообробки. Механічні властивості сірого чавуну залежать від властивостей металевої матриці, форми і розмірів графітових включень. Властивості металевої матриці чавунів близькі до властивостей сталі. Графіт, який має невисоку міцність і знижує міцність чавуну. Чим менше графітових включень і вище їх дисперсність, тим більша міцність чавуну.

Графітові включення викликають зменшення границі міцності чавуну при розтягуванні. На міцність при стисненні і твердість чавуну частинки графіту впливу практично не мають. Властивість графіту утворювати мастильні плівки призводить до зниження коефіцієнта тертя і збільшення зносостійкості виробів із сірого чавуну. Графіт покращує оброблюваність різанням. Сірий чавун маркують літерами СЧ (сірий чавун). Число після літерного позначення показує середнє значення межі міцності чавуну при розтягуванні. Наприклад, СЧ20 – чавун сірий, межа міцності при розтягуванні 200 МПа.

За властивостями сірі чавуни можна умовно поділити на наступні групи:

- феритні і феритно-перлітні чавуни (марки СЧ10, СЧ15), застосовують для виготовлення маловiдповiдальних ненавантажених деталей машин;

- перлітні чавуни (марки СЧ20, СЧ25, СЧ30) використовують для виготовлення зносостійких деталей, для експлуатації при великих навантаженнях: поршнів, циліндрів, блоків двигунів;

- модифіковані чавуни (марки СЧ35, СЧ40, СЧ45), отримують додаванням перед розливанням у рідкий сірий чавун присадок феросиліцію, такі чавуни мають перлітну металеву матрицю з невеликою кількістю ізольованих пластинок графіту.

Модифікування сірого чавуну магнієм, а потім феросиліцієм, дозволяє отримувати магнієвий чавун (СМЧ), що володіє міцністю сталі і високими ливарними властивостями сірого чавуну. З нього виготовляють деталі, що піддаються ударам, впливу змінних напруг і інтенсивного зносу, наприклад, колінчасті вали легкових автомобілів.

Відмінною особливістю високоміцного чавуна є його високі механічні властивості, що обумовлені наявністю в структурі кулястого графіту, який у меншій мірі, ніж пластинчастий графіт у сірому чавуні, послаблює робочий перетин металевої основи і, що найважливіше, не чинить на неї сильної надрізної дії, завдяки чому навколо включень графіту в меншій мірі створюються концентратори напружень. Чавун з кулястим графітом володіє не тільки високою міцністю, але і пластичністю.

Отримання кулястого графіту в чавуні досягається модифікуванням розплаву присадками, що містять Мg, Са, Се та інші рідкоземельні метали. Хімічний склад і властивості високоміцних чавунів регламентуються ДСТУ і маркуються літерами ВЧ (високоміцний чавун) і числом, що позначає середнє значення межі міцності чавуну при розтягуванні. Наприклад, ВЧ800-2 – високоміцний чавун, межа міцності якого при розтягуванні складає 800 МПа, а відносне подовження становить 2 %.

Високоміцний чавун з кулястим графітом є найбільш перспективним ливарним сплавом, за допомогою якого можна успішно вирішувати проблему зниження маси конструкцій при збереженні їх високої надійності і довговічності.

Високоміцний чавун використовують для виготовлення відповідальних деталей автомобілебудування (колінчаті вали, зубчасті колеса, циліндри та ін.)

Білі чавуни характеризуються тим, що у них весь карбон знаходиться в хімічно зв'язаному стані – у вигляді цементиту. Злам такого чавуну має матово білий колір. Наявність великої кількості цементиту надає білому чавуну високу твердість, крихкість і дуже погану оброблюваність різальним інструментом.

Структура білого чавуну представлена перлітом і ледебуритом. Білий чавун застосовують головним чином для отримання сталі і в невеликій кількості – для отримання ковкого чавуну.

Ковкий чавун одержують шляхом відпалу білого чавуну певного хімічного складу, що відрізняється зниженим вмістом графітизируючих елементів (2,4-2,9 % С і 1,0-1,6 % Si), так як в литому стані необхідно отримати повністю вибілений чавун по всьому перетину виливки, що забезпечує формування пластівцеподібного графіту в процесі відпалу.

Механічні властивості і рекомендований хімічний склад ковкого чавуну регламентують ДСТУ та маркують літерами КЧ (ковкий чавун) і цифрами. Перша група цифр показує межу міцності чавуну при розтягуванні, друга – відносне його подовження при розриві. Наприклад, КЧ33-8 означає: ковкий чавун з межею міцності при розтягуванні 33 кг/мм² (330 МПа) і відносним подовженням при розриві 8 %.

Для прискорення процесу відпалу КЧ використовують різні прийоми: підвищують температуру витримки, модифікують і мікролегують чавун присадками алюмінію, бору, титану або вісмуту. Всі ці прийоми сприяють збільшенню числа центрів кристалізації зниження стійкості цементиту.

Ковкий чавун використовують для виготовлення дрібних і середніх тонкостінних відливок відповідального призначення, що працюють в умовах динамічних знакозмінних навантажень (деталі привідних механізмів, коробок передач, гальмівних колодок, шестерень, маточин і т.п.). Однак ковкий чавун – мало перспективний матеріал із-за складної технології отримання та тривалості виробничого циклу виготовлення деталей з нього.

Залежно від призначення розрізняють зносостійкі, антифрикційні, жаростійкі і корозійностійкі леговані чавуни.

Хімічний склад, механічні властивості при нормальних температурах і рекомендовані види термічної обробки легованих чавунів регламентуються ДСТУ. У позначенні марок легованих чавунів букви і цифри, що відповідають вмісту легуючих елементів, ті ж, що і в марках сталі.

Для виготовлення апаратів, що працюють з лужними розчинами і розплавами, випускають лугостійкий чавун двох марок (СЧЩ-1, СЧЩ-2), що легований хромом (0,4-0,8 %) і нікелем (0,5-1,0 %). Ці чавуни успішно використовують у виробництві твердого гідроксиду натрію.

З лугостійких чавунів (СЧЩ) виготовляють казани, призначені для концентрування розчинів лугів, упарювання яких здійснюють при температурах до 350 °С. При цьому швидкість корозії чавуну досягає 2,5-5,0 мм/рік.

Зносостійкі чавуни, леговані нікелем (до 5 %) і хромом (0,8 %), застосовують для виготовлення деталей, що працюють в абразивних середовищах. Чавуни (до 0,6 % Cr і 2,5 % Ni) з додаванням титану, купруму, ванадію, молібдену володіють підвищеною зносостійкістю в умовах тертя без мастильного матеріалу. Їх використовують для виготовлення гальмівних барабанів автомобілів, дисків зчеплення, гільз циліндрів та ін.

Жаростійкі леговані чавуни ЧХ2, ЧХ3 застосовують для виготовлення деталей контактних апаратів хімічного обладнання, турбокомпресорів, експлуатованих при температурі 690 °С (ЧХ2) і 700 °С (ЧХ3).

Жароміцні леговані чавуни ЧНМШ, ЧНПГ7Х2Ш з кулястим графітом працездатні при температурах 500-600 °С і застосовуються для виготовлення деталей дизелів, компресорів і ін.

Корозійностійкі леговані чавуни марок ЧХ1, ЧНХТ, ЧНХМД, ЧН2Х (низьколеговані) володіють підвищеною корозійною стійкістю в газовому, повітряному і лужному середовищах. Їх застосовують для виготовлення деталей вузлів тертя, що працюють при підвищених температурах (поршневих кілець, блоків і головок циліндрів двигунів внутрішнього згоряння, деталей дизелів, компресорів і т.д.).

Антифрикційні чавуни використовуються як підшипникові сплави, оскільки представляють групу спеціальних сплавів, здатних працювати в умовах тертя як підшипники ковзання.

Для легування антифрикційних чавунів використовують хром, мідь, нікель, титан.

ДСТУ включає шість марок антифрикційного сірого чавуну (АЧС-1 – АЧС-6) з пластинчастим графітом, дві марки високоміцного (АЧВ-1, АЧВ-2) та дві марки ковкого (АЧК-1, АЧК-2) чавунів. Цим стандартом регламентуються хімічний склад, структура, режими роботи, в ньому також містяться рекомендації щодо застосування антифрикційних чавунів.

Розрізняють перлітні і перлітно-феритні антифрикційні чавуни. Антифрикційні перлітні чавуни (АЧС-1, АЧС-2) та перлітно-феритні (АЧС-З) застосовують при тиску в зоні контакту фрикційних пар до 50 МПа. Чавуни з кулястим графітом АЧВ-1 (перлітний) і АЧВ-2 (перлітно-феритний) застосовують при підвищених навантаженнях (до 120 МПа) [2-5].

Високохромисті чавуни (наприклад, Х28Л) володіють підвищеною жаростійкістю і жароміцністю, їх можна застосовувати при температурах до 500 °С.

Кременисті чавуни характеризуються підвищеною корозійною стійкістю в кисненьвмісних кислотах – сульфатній і нітратній. В той же час вони недостатньо міцні, крихкі і розтріскуються при різких перепадах температур. Стійкість їх до хлорводневої кислоти підвищується при введенні 3,5- 4,0 % Мо, коли утворюються чавун С15МЧ – пермалой. Цей чавун-антихлор стійкий в розчинах сульфатаної і хлорводневої кислот будь-яких концентрацій і відрізняється високою жаростійкістю, його використовують при температурах до 900 °С.

Висококременисті чавуни не піддаються механічній обробці, деталі з них отримують відливанням. Ці чавуни застосовують для виготовлення насосів, арматури, труб, теплообмінників і колонної апаратури. Необхідно враховувати, що дані чавуни нестійкі в лужних розплавах, розчинах фторводневої кислоти і фтористих солей.

Для виготовлення апаратів і труб, які контактують з нітратною та хлорводневою кислотами, застосовують чавуни, що містять 15-17 % силіцію (феросиліди С-15, С-17 і «антихлор»). Антихлор МФ-15 містить 15 % Si і 4 % Мо. Він стійкий до дії гарячої концентрованої хлорводневої кислоти. Проте ці матеріали дуже крихкі, піддаються обробці тільки абразивними матеріалами, дуже чутливі до перепадів температур. Тому їх використовують обмежено.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: