3.3. Чавуни

Чавуном називають сплав заліза з вуглецем, що містить від 2,14 до 6,67% вуглецю. Але це теоретичне визначення. На практиці вміст вуглецю в чавунах знаходиться в межах 2,5 - 4,5%. В якості домішок чавун містить Si, Мn, S і Р.

Класифікація чавунів. У залежності від того, в якій формі міститься вуглець у чавунах, розрізняють такі їх види. У білому чавуні весь вуглець знаходиться у зв'язаному стані у вигляді цементиту. Структура білого чавуну відповідає діаграмі Fе-Fе₃С. У сірому чавуні більша частина вуглецю знаходиться у вигляді графіту, включення якого мають пластинчасту форму. У високоміцному чавуні графітні включення мають кулясту форму, а в ковкому - пухкі. Вміст вуглецю у вигляді цементиту в сірому, високоміцному і ковкому чавунах може становити не більше 0,8%.

Білий чавун має високу твердість, крихкість і дуже погано обробляється. Тому для виготовлення виробів він не використовується і застосовується як граничний чавун, тобто йде на виробництво сталі. Для деталей з високою зносостійкістю використовується чавун з вибіленої поверхнею, в якому основна маса металу має структуру сірого чавуну, а поверхневий шар - білого чавуну. Машинобудівними чавунами, що йдуть на виготовлення деталей, є сірий, високоміцний і ковкий чавуни. Деталі з них виготовляються литтям, так як чавуни мають дуже хороші ливарні властивості. Завдяки графітним включенням ці чавуни добре обробляються, мають високу зносостійкість, гасять коливання і вібрації. Але графітні включення зменшують міцність.

Таким чином, структура машинобудівних чавунів складається з металевої основи і графітних включень. За металевій основі вони класифікуються на феритний чавун (весь вуглець міститься у вигляді графіту), феррито−перлітний і перлітний (містить 0,8% вуглецю у вигляді цементиту). Характер металевої основи впливає на механічні властивості чавунів: міцність і твердість вище у перлітним, а пластичність - у феритних.

Сірий чавун має пластинчасті графітні включення. Структура сірого чавуну схематично зображено на рис. 14, а. Отримують сірий чавун шляхом первинної кристалізації з рідкого сплаву.

а б в

Рис. 14 Схематичне зображення структур чавунів

а – сірого; б – з високою міцністю; в – ковкого.

На графітизацію (процес виділення графіту) впливають швидкість охолодження і хімічний склад чавуну. При швидкому охолодженні графітизації не відбувається і виходить білий чавун. У міру зменшення швидкості охолодження виходять, відповідно, перлітний, феррито−перлітний і феритний сірі чавуни. Сприяють графітизації вуглець і кремній.

Кремнію міститься в чавуні від 0,5 до 5%. Іноді його вводять спеціально. Марганець та сірка перешкоджають графітизації. Крім того, сірка погіршує механічні і ливарні властивості. Фосфор не впливає на графітизацію, але покращує ливарні властивості.

Механічні властивості сірого чавуну залежать від кількості та розміру графітних включень. У порівнянні з металевою основою графіт має низьку міцність. Тому графітні включення можна вважати порушеннями суцільності, ослабляють металеву основу. Так як пластинчасті включення найбільш сильно послаблюють металеву основу, сірий чавун має найбільш низькі характеристики, як міцності, так і пластичності серед всіх машинобудівних чавунів. Зменшення розміру графітних включень покращує механічні властивості. Подрібненню графітних включень сприяє кремній.

Маркується сірий чавун літерами СЧ і числом, що показує межа міцності в десятих частках МПа. Так, чавун СЧ 35 має σ_в = 350 МПа. Є такі марки сірих чавунів: СЧ 10, СЧ 15, СЧ 20. ..., СЧ 45.

Високоміцний чавун має кулясті графітні включення. Структура високоміцного чавуну зображена на рис. 14, б. Отримують високоміцний чавун добавкою в рідкий чавун невеликої кількості лужних або лужноземельних металів, які округлюють графітні включення в чавуні, що пояснюється збільшенням поверхневого натягу графіту. Найчастіше для цієї мети застосовують магній у кількості 0,03 - 0,07%. За вмістом інших елементів високоміцний чавун не відрізняється від сірого.

Кулясті графітні включення в найменшій мірі послабляють металеву основу. Саме тому високоміцний чавун має більш високі механічні властивості, ніж сірий. При цьому він зберігає хороші ливарні властивості, оброблюваність різанням, здатність гасити вібрації і т. д.

Маркується високоміцний чавун літерами ВЧ і цифрами, що показують межа міцності і десятих частках МПа. Наприклад, чавун ВЧ 60 має σ_в = 600 МПа. Існують наступні марки високоміцних чавунів: ВЧ 35, ВЧ 40, ВЧ 45, ВЧ 50, ВЧ 60, ВЧ 70, ВЧ 80, ВЧ 100. Застосовуються високоміцні чавуни для виготовлення відповідальних деталей - зубчатих коліс, валів та ін

Ковкий чавун має пластівчасті графітні включення (рис. 14, в). Його отримують з білого чавуну шляхом графітизуючого відпалу, який полягає в тривалій (до 2 діб) витримці при температурі 950 - 970°С. Якщо після цього чавун охолодити, то виходить ковкий перлітний чавун, металева основа якого складається з перліту і невеликої кількості (до 20%) фериту. Такий чавун називають також світлосерцевинним. Якщо в області евтектоїдних перетворень (720 - 760°С) проводити дуже повільне охолодження або навіть дати витримку, то вийде ковкий феритний чавун, металева основа якого складається з фериту і дуже невеликої кількості перліту (до 10%). Цей чавун називають чорносецевинним, так як він містить порівняно багато графіту.

Маркується ковкий чавун літерами КЧ і двома числами, що показують межа міцності в десятих частках МПа і відносне подовження в%. Так, чавун КЧ 45-7 має σ_в = 450 МПа і δ = 7%. Ферритні ковкі чавуни (КЧ 33-8, КЧ 37-12) мають більш високу пластичність, а перлітним (КЧ 50-4, КЧ 60-3) більш високу міцність. Застосовують ковкий чавун для деталей невеликого перерізу, що працюють при ударних і вібраційних навантаженнях.

4. ТЕРМІЧНА І ХІМІКО-ТЕРМІЧНА ОБРОБКА СТАЛІ

Термічною обробкою називається сукупність операцій нагріву, витримки та охолодження твердих металевих сплавів з метою отримання заданих властивостей за рахунок зміни внутрішньої будови і структури. Розрізняють такі види термічної обробки: відпал, загартування і відпуск.

4.1. Відпал

Відпалом сталі називається вид термічної обробки, що полягає в її нагрівання до певної температури, витримці при цій температурі і повільному охолодженні. Цілі відпалу - зниження твердості і поліпшення оброблюваності сталі, зміна форми і величини зерна, вирівнювання хімічного складу, зняття внутрішніх напружень. Існують різні види відпалу: повний, неповний, дифузний, рекристалізаційний, низький, відпал на зернистий перліт, нормалізація. Температури нагріву сталі для ряду видів відпалу пов'язані з положенням ліній діаграми Fе-Fе₃С. Низька швидкість охолоджування зазвичай досягається при охолодженні сталі разом з піччю.

Повний відпал застосовується для доевтектоїдних сталей. Нагрівання сталі для повного відпалу здійснюється на 30 - 50°С вище лінії GS діаграми Fе-Fе₃С (рис. 15). При цьому відбувається повна перекристалізація сталі і зменшення величини зерна. Вихідна структура з великих зерен фериту та перліту при нагріванні перетворюється в аустенітну, а потім при повільному охолодженні в структуру з дрібних зерен фериту і перліту. Підвищення температури нагріву призвело б до зростання зерна. При повному відпалі знижується твердість і міцність сталі, а пластичність підвищується.

При неповному відпалі нагрівання виробляється на 30 - 50°С вище лінії РSК діаграми Fе-Fе₃С (рис. 15). Він проводиться, якщо вихідна структура не дуже крупнозерниста чи не треба змінювати розташування феритної (у доевтектоїдних сталях) або цементоїдної (у заевтектоідних сталях) складової. При цьому відбувається лише часткова перекристалізація - тільки перлітної складової сталі.