Процес графітизації чавунів

На відміну від білих, сірі, ковкі й високоміцні чавуни широко викорис­товують у промисловості як конструкційні матеріали. Характерною структур­ною особливістю сірих, ковких й високоміцних чавунів є вкраплення графіту в металевій основі. Порівняно з основою міцність і пластичність графіту дуже малі. Вивчення графітизації має не лише теоретичне, але й важливе прикладне значення.

Графітизацією називається виділення графіту з рідкого й твердого розчинів, а також з цементиту. Графіт є однією з модифікацій вуглецю. У залізовуглецевих стопах графіт, як і цементит, може перебувати в рівновазі з рідким розчином, аустенітом й феритом.

Залежно від термодинамічних і кінетичних умов кристалізації у чавунах формується графіт або цементит.

Вплив домішок і швидкості охолодження на структуру та властивості чавунів

Постійні домішки (кремній, марганець, сірка та фосфор), а також швидкість охолодження істотно впливають на процес графітизації.

Збільшення швидкості охолодження, як уже згадувалось, спричиняє все більше відхилення від рівноважних умов кристалізації: гальмує виділення графіту й спринс утворенню цементиту.

Крім швидкості охолодження сильно впливають на графітизацію чавуну вуглець і кремній. Зі збільшенням їх сумарної частки графітизація посилюється.

Сірі чавуни

Сірими називають чавуни, в структурі яких більша частка вуглецю перебуває у вигляді графіту пластинчастої форми. Решта вуглецю разом із залізом утво­рює структуру металевої основи (феритну, ферито-перлітну або перлітну).

На формування структури сірого чавуну в промислових умовах криста­лізації впливають такі фактори як хімічний склад, швидкість охолодження, а також наявність у рідкому розчині дрібних твердих частинок.

Вуглець і кремній сприяють виділенню графіту, а марганець і сірка — утворенню цементиту.

Сірі чавуни мають добрі ливарні властивості, легко обробляються різанням, чдатні гасити вібрації, що виникають в конструкціях, є найдешевшими і найпоширенішими серед ливарних стопів. Водночас сірі чавуни відзначаються невисокими міцністю і пластичністю через особливості форми графітових вкраплень з гострими краями. Такі вкраплення можна розглядати як сильні внутрішні концентратори напружень або навіть як мікротріщини.

Умовне позначення марки включає літери СЧ — сірий чавун й цифри — значення мінімальної границі міцності матеріалу на розрив.( СЧ 10,15,20,25,30)

Міцність сірих чавунів можна підвищити легуванням, поверхневим гартуванням, механоімпульсною обробкою та іншими методами

Ковкі чавуни

Ковкими називають чавуни з пластівчастою формою графіту, отримані внаслідок спеціального довготривалого відпалювання відливок з білого чавуну. Щоб отримати ковкий чавун, необхідно виготовити відливки білого чавуну, потім їх відпалити з метою графітизації. Утворений внаслідок відпалювання графіт має компактну майже рівновісну, але не сферичну форму Назва ковкий чавун умовна, тому що відливки завжди виготовляють литтям, а не куванням. Графіт пластівчастої форми є слабшим внутрішнім концентратором напружень порівняно з графітом пластинчастим, що є в сірому чавуні, внаслідок чого ковкі чавуни міцніші й пластичніші, ніж сірі. Залежно від режиму відпалювання металева основа ковкого чавуну може бути феритною, перлітною й рідше — ферито- перлітною.

Щоб не допустити навіть часткової графітизації білого чавуну під час його охолодження в ливарній формі, треба [7, с.81] вибирати товщину стінок відливки в межах від 3 до 50 мм, а хімічний склад рідкого розчину тримати в досить вузьких межах: 2,4...2,9 % С; 1,0...1,6 % Зі; 0,3...1,0 % Мп; до 0,2 % Р і до 0,18 % 5. Тут привертає увагу порівняно низький вміст вуглецю, кремнію й марганцю. Після відпалювання на графітизацію чавуни з такою низькою часткою вуглецю матимуть у структурі небагато компактних графітових включень, що сприятиме покращенню їхніх механічних властивостей (стм, НВ, КСІ), 8).

Двостадійие відпалювавння починається з повільного нагрівання відливок білого чавуну до 930...1050 °С, внаслідок чого отримують структуру ледебурит + + аустеніт + вторинний цементит. Відливки витримують при цих температурах протягом 10... 15 год, щоб вторинний цементит і цементит ледебуриту розпався на аустеніт А і графіт пластівчастий Г (перша стадія графітизації):

Закінчивши першу стадію, відливку повільно охолоджують приблизно до температури 760 °С, щоб вторинний цементит, що поступово виділяється з аустеніту, теж розпався за реакцією (2.7.3).

Друга стадія графітизації, яка триває близько ЗО годин, відбувається або при сталій температурі (дещо нижчій від температури евтектоїдного перетво­рення), або під час дуже повільного охолодження в інтервалі температур 760...720 °С. В першому і другому випадках перліт повністю розпадається і цементит евтектоїду переходить у графіт за.реакцією (2.7.2).

Таким чином, під час двостадійного відпалювання формується феритна структура з рівномірно розподіленим в об'ємі відливки пластівчастим графітом

Основною перевагою ковких чавунів є однорідність їх властивостей в пере­тині відливки та майже повна відсутність залишкових напружень. Водночас варто відзначити, що процес графітизації досить тривалий і енергомісткий, що стримує широке застосування ковких чавунів у машинобудуванні.

Залежно від механічних властивостей ковким чавунам надають відповідні марки. Марки ковких чавунів (таблиця 2.7.3) позначають літерами КЧ й чис­лами, перше з яких показує границю міцності на розрив, а друге число — відносне видовження %. Феритні чавуни (КЧ 30-6...КЧ 37-12) відзна­чаються високою пластичністю (5= 6...12 %), а перлітні (КЧ 45 - 7...КЧ 80 - 1,5) — підвищеною міцністю й твердістю.

З ковких чавунів виготовляють відливки, що працюють під ударними або знакозмінними циклічними навантаженнями (корпуси редукторів, корпуси задніх мостів вантажних автомобілів, вилки карданних валів, муфти, арматуру).