UA-75651220-1

Властивості чавунів, їх класифікація

Чавун - залізовуглецевий сплав з умістом вуглецю понад 2,14 %. У чавуні присутні також кремній, марганець, сірка, фосфор.

Залежно від хімічного складу, умов кристалізації та швидкості охолодження вуглець у чавуні може бути в хімічно зв’язаному (цементит Fe3C) або у вільному стані (графіт). За умов швидкого охолодження вуглець виділяється переважно у вигляді цементиту, а за повільного охолодження - у вигляді графіту. Графіт зумовлює сіре забарвлення на зламі - такий чавун називають сірим. Чавун, у якому вуглець перебуває у вигляді цементиту (злам має специфічний білий колір) і перліту, називають білим.

Білий чавун має високу твердість, крихкий, практично не обробляється різальними інструментами. За структурою, згідно з діаграмою залізо-цементит, білі чавуни поділяють на доевтектичні, евтектичні й заевтектичні. До складу всіх білих чавунів входить ледебурит (евтектичне поєднання перліту і цементиту) з умістом вуглецю 4,3 %, який має високі показники крихкості й твердості.

Структура доевтектичного білого чавуну (2,14-4,3 % С) складається з перліту, ледебуриту й вторинного (рис. 1.2.1, а) цементиту. Евтектичний білий чавун (4,3 % С) формується з однієї евтектики - ледебуриту (рис. 1.2.1, б). Структура заевтектичного білого чавуну (4,3-6,67 % С) складається з ледебуриту і первинного цементиту (рис. 1.2.1, в, г).
Рис. 1.2.1. Структури доевтектичного (а); евтектичного (б) і заевтектичного (в, г) білого чавуну
Через високу твердість (НВ > 450) і крихкість білі чавуни у машинобудуванні майже не використовуються. Заевтектичний і евтектичний чавуни переплавляють, а доевтектичний за допомогою спеціальної термічної обробки переробляють на ковкий чавун.

Використовують так званий відбілений чавун - сірий з тонким шаром білого на поверхні (10-30 мм). Відбілювання є наслідком швидкого охолодження поверхні під час кристалізації чавуну у металевій формі (кокіль). Відбілений чавун має високі поверхневу твердість і стійкість проти спрацювування. Використовується для виготовлення прокатних валків, коліс, виробів для залізничного транспорту тощо.

Сірий чавун (до 3,8 % С) - чавун, у якому структурно вільний вуглець перебуває у вигляді графіту (вигнуті пластини, пелюстки), а у зв’язаному стані (не більше 0,8 % С) - у вигляді цементиту. Графітизацію при кристалізації забезпечують повільне охолодження та хімічний склад чавуну. Присутність вуглецю і кремнію посилює графітизацію. Марганець і сірка сприяють відбілюванню. Змінюючи співвідношення Si та Мn, можна одержати різну кількість вільного вуглецю. Ступінь графітизації визначає характер структури металевої основи сірого чавуну. Розглянемо, як поділяються сірі чавуни за структурою металевої основи (рис. 1.2.2).
Рис. 1.2.2. Сірі чавуни: з феритною (а); феритно-перлітною (б); перлітною (в) основами, × 200
Феритний - з феритною структурою основи і пластин графіту. Увесь вуглець присутній у формі графіту, який має вигляд темних смуг, зерна фериту світлі з темними краями.

Ферито-перлітний - зі структурою металевої основи ферит + перліт і графітом у вигляді пластин. Кількість зв’язаного у Fe3C вуглецю менша 0,8 %.

Перлітний - структура чавуну складається з перліту і вкраплень графіту у вигляді прожилок. Кількість зв’язаного вуглецю відповідає евтектоїдній структурі (0,8 %), решта вуглецю перебуває у формі графіту.

Таким чином, структури металевої основи сірих чавунів відповідають структурі доевтектоїдної, евтектоїдної сталі та заліза, а специфічні властивості чавунів визначає кількість і морфологія графітових вкраплень.

Графіт у чавунах має три основні морфологічні форми (рис. 1.2.3): пластинчастий у вигляді прожилок, пластин, пелюсток; кулястий і пластівчастий з компактною, рівновісною, але не сферичною формою. Залежно від форми графіту чавун з пластинчастим графітом називають звичайним сірим чавуном, з кулястим - високоміцним, з пластівчастим - ковким чавуном.

Форму графітових вкраплень у сірому чавуні можна змінити, якщо при кристалізації до його складу додати невелику кількість спеціальних елементів-модифікаторів. Так, якщо увести в розплавлений чавун перед розливкою 0,5 % феросиліцію або алюмінію, графіт подрібнюється і набуває кулястої форми. Це підвищує механічні властивості чавуну (σв = 400 МПа). Такий чавун називають модифікованим. Застосування таких модифікаторів, як Мg або Се, зумовлює виділення графіту кулястої форми та підвищує міцність і пластичність чавуну (високоміцний чавун). Металева основа високоміцного чавуну складається з фериту, перліту або їх суміші. Вміст вуглецю перебуває у межах 3,0-3,6 %. Високоміцний чавун за механічними властивостями переважає сірий і ковкий, застосовується для виготовлення відповідальних деталей (колінчастих валів, зубчастих коліс тощо).

Ковкий чавун отримують з білого чавуну тривалим спеціальним відпалом - «томленням». Нестійкий цементит розпадається на залізо і вуглець. Графіт, що утворюється, набуває потрібної пластівчастої форми. Залежно від режиму відпалу металева основа може бути феритною або перлітною. Вміст вуглецю у ковких чавунах - 2,4-3,4 %. Твердість феритного ковкого чавуну 160 НВ, перлітного - 270 НВ. Відсутність ливарних напружень, що знімаються при відпалі, прийнятна форма й ізольованість графіту зумовлюють високі механічні властивості ковкого чавуну.
Рис. 1.2.3. Морфологічні форми графіту в сірому (а); ковкому (б, в) і високоміцному (г, д) чавунах, × 200
Виливки з нього використовують для роботи при ударних навантаженнях, а також для виготовлення тонкостінних деталей.