ЧУГУН, КЛАСИФІКАЦІЯ ЧУГУНІВ - Властивості конструкційних матеріалів

Чавуни - це залізовуглецеві сплави, що містять більше 2% вуглецю і твердіють з утворенням евтектики. На відміну від сталі чавуни мають низьку пластичність. Однак, завдяки високим ливарним властивостям, достатньої міцності та відносній дешевизні, чавуни знайшли широке застосування у машинобудуванні.

Чавуни виплавляють у доменних печах, вагранках та електропечах. Чавуни, що виплавляються в доменних печах, бувають передільними, спеціальними (феросплави) і ливарними. Передільні та спеціальні чавуни використовуються для подальшого виплавлення сталі та чавуну. У вагранках та електропечах переплавляють ливарні чавуни. Близько 20% всіх чавунів, що виплавляються, використовують для виготовлення виливків.

Ливарні та механічні властивості чавуну залежать від того, наскільки близький його склад до евтектичного. Для оцінки цього застосовують два показники:

Ступінь евтектичності SЕ - відношення концентрації вуглецю С в чавуні до його концентрації в евтектиці з урахуванням впливу кремнію та фосфору:

Вуглецевий еквівалентвизначається як:

Чавуни поділяються на:доевтектичні(Sе 1, Cев > 4,2-4,3).

Чавуни при кристалізації та подальшому охолодженні можуть поводитися по-різному (рис. 1): або відповідно до метастабільної діаграми станів Fe-Fe3C (білі чавуни, в яких вуглець присутній у вигляді Fe3C), або відповідно до стабільної діаграми Fe- -C (сірі чавуни, у яких вуглець є у вигляді графіту).

На представлених діаграмах (рис.1) крім загальних ліній АС, АЕ, GS інші лінії збігаються. У системі Fe-C графітна евтектика (аустеніт-графіт) містить 4,26 % С і утворюється при 1 153 ° С. По лінії E'S'в інтервалі температур 1 153-738 °З виділяється вторинний графіт. Евтектоїдне перетворення протікає при 738 ° С з утворенням евтектоїду (ферит + графіт). Користування діаграмами Fe-C і Fe-Fe3C принципово не відрізняється один від одного.

Імовірність утворення цементиту з рідкої фази значно вища, ніж графіту. Будь-який процес визначається термодинамічні та кінетичні умови протікання. Рушійною силою процесу графітизації є прагнення системи зменшити запас вільної енергії. Цементит термодинамічно менш стійка фаза, ніж графіт. Однак різниця між температурами утворення цементиту та графіту невелика, і при порівняно невеликому переохолодженні відбуватиметься кристалізація цементиту, а не графіту.

Графіт утворюється тільки при малих швидкостях охолодження у вузькому інтервалі температур, коли мала ступінь переохолодження рідкої фази. При прискореному охолодженні та при переохолодженні рідкого чавуну нижче 1147°С відбувається утворення цементиту.

Графітизацієюназивається процес виділення графіту при кристалізації або охолодженні чавунів. Графіт може утворюватися як із рідкої фази при кристалізації, так і з твердої фази. Відповідно до діаграми Fe-C нижче лінії C'D'утворюється первинний графіт, по лінії E'C'F'- евтектичний графіт, по лінії Е'S'- вторинний графіт і по лінії P'S'<К'-- евтектоїдний графіт.

Графітизація чавуну та її повнота залежить від швидкості охолодження, хімічного складу та наявності центрів графітизації.

Вплив швидкості охолодження обумовлений тим, що графітизація чавуну протікає дуже повільно і включає кілька стадій:

утворення центрів графітизації в рідкій фазі або аустеніті;
дифузія атомів вуглецюдо центрів графітизації;
зростання виділення графіту.

При графітизації цементиту додаються стадії попереднього розпаду Fe3C та розчинення вуглецю в аустеніті. Чим повільніше охолодження чавуну, тим більший розвиток отримує процес графітизації.

Залежно від ступеня графітизації розрізняють чавунибілі,сірі таполовинчасті.

Білі чавуни--виходять при прискореному охолодженні та при переохолодженні рідкого чавуну нижче 1147 °С, коли в силу структурних та кінетичних особливостей утворюватиметься метастабільна фаза Fe3C, а не графіт. Білі чавуни, що містять зв'язаний вуглець у вигляді Fe3C, відрізняються високою твердістю, крихкістю і дуже обробляються різанням. Тому вони як конструкційний матеріал не застосовуються, а використовуються для отримання ковкого чавуну шляхом графітизації відпалу.

Половинчасті чавуни--займають проміжне положення між білими та сірими чавунами, і в них основна кількість вуглецю (понад 0,8 %) знаходиться у вигляді Fe3C. Чавун має структуру перліту, ледебуриту та пластинчастого графіту.

Марганець перешкоджає графітизації, збільшуючи схильність чавуну до відбілювання. Сірка є шкідливою домішкою. Її відбілюючий вплив у 5-6 разів вищий, ніж марганцю. Крім того, сірка знижує рідину, сприяє утворенню газових бульбашок, збільшує усадку і схильність до утворення тріщин. Фосфор не впливає на графітизацію і є корисною домішкою, збільшуючи рідину сірого чавуну за рахунок утворення легкоплавкою (950-980) °С фосфідної евтектики.

Мал. 2.Структурна діаграма: 1 - білі чавуни; 2 - половинчасті чавуни; 3, 4, 5 - сірі чавуни на перлітній, ферито-перлітній таферитної основі відповідно

Таким чином, регулюючи хімічний склад та швидкість охолодження можна отримувати у виливках потрібну структуру чавуну.

Класифікація сірих чавунів

Сірий чавун можна як структуру, що складається з металевої основи з графітними включеннями. Властивості чавуну залежать від властивостей металевої основи та характеру графітних включень.

Металева основа може бути:перлітної, коли 0,8 % перебуває у вигляді цементиту, а решта вуглець у вигляді графіту;ферито-перлітної,коли кількість вуглецю у вигляді цементиту менше 0,8%;феритної, коли вуглець знаходиться практично у вигляді графіту.

Залежно від форми графітних включень сірі чавуни класифікуються на:

чавун із пластинчастим графітом;
чавун з пластівцевим графітом (ковкий чавун);
чавун з кулястим графітом (високоміцний чавун);
чавун з вермікулярним графітом.

На рис.3 дана узагальнена класифікація чавунів за будовою металевої основи та формою графіту.

Мікроструктура чавунів наведена на рис. 7.4.

Мал. 3.Класифікація чавунів за структурою металевої основи та у формі графітових включень

Мал. 4.Різні форми графіту в чавуні: а) пластинчастий графіт; б) пластівеподібний графіт; в) кулястий графіт; г) вермікулярний графіт. Ч 200

Порівняно з металевою основою графіт має низьку міцність. Тому графітові включення можна вважати порушеннями суцільності (порожнечами) у металевій основі, і чавун можна розглядати як сталь, пронизану включеннями графіту, що послаблюють його металеву основу. Водночас наявність графіту визначає іряд переваг чавуну: хороша рідина і мала усадка; хороша оброблюваність різанням (графіт робить стружку ламкою); високі демпфуючі властивості; антифрикційні властивості та ін.

В окрему групу при класифікації виділено чавуни із спеціальними властивостями. Як правило, ці чавуни леговані і діляться за призначенням на такі види: антифрикційні, зносостійкі, жаростійкі, корозійностійкі, жароміцні.