Високоміцний чавун з кулястим графітом

Високоміцний чавун одержують присадкою в рідкий чавун невеликих добавок деяких лужних або щелочноземельні металів - (сфероїдизуючі модифікатори). Частіше для цієї мети застосовують магній у кількості 0,03—0,07 %. Під дію магнію графить у процесі кристалізації приймає не пластинчасту, а кулясту форму (рис. 6,а). Кулястий графіт, що має мінімальну поверхню при даному обсязі, значно менше послабляє металеву основу чавуну, чим пластинчастий графіт. На відміну від пластинчастого кулястий графіт не є активним концентратором напруг. Чавуни з кулястим графітом мають більш високі механічні властивості, що не уступають литий вуглецевої сталі при цьому гарні ливарні властивості й оброблюваність різанням, здатність гасити вібрацію, високу зносостійкість і т.д. Звичайний склад чавуну: 3,0- 3,6 % С; 1,6-2,9 % Si; 0,3-0,J % Mn; <0,10 % S і <0,10 % Р. Маркірують високоміцний чавун буквами ВЧ, потім випливає цифра, що вказує тимчасовий опір розриву (ДСТ 7293-85): ВЧ35, ВЧ40, ВЧ45, ВЧ50, ВЧ60, ВЧ70, ВЧ80, ВЧ100. Феритні чавуни (рис. 6, в) ВЧ35, ВЧ40 і ВЧ45 мають σ_0.2=220-310 МПа, δ=22-10% 140—225 НВ (чим вище цифра марки, тим більше σ_0.2 і НВ і менше δ). Перлітні чавуни (рис. 99,6) ВЧ50, ВЧ60, ВЧ70, ВЧ80, ВЧ100 мають σ_0.2 =370-700 МПа, δ = 7-2% і 153-360 НВ. Для зняття ливарних напруг, підвищення механічних властивостей чавун піддають термічній обробці. У залежності від необхідної металевої основи ЧКГ застосовуються відпал, нормалізація, загартування з відпусткою, ізотермічне загартування (температура ізотерми 350-500 °С).

Виливка з ЧКГ широко використовують у різних галузях народного господарства: в автобудуванні і дизелебудуванні для колінчатих валів, кришок циліндрів і інших деталей; у важкому машинобудуванні — для багатьох деталей прокатних станів; у ковальсько-пресовому устаткуванні — для шаботів-молотів, траверсів-пресів, прокатних валків; у хімічній і нафтовій промисловості — для корпусів насосів, вентилів і т.д.

Рис. 6.Мікроструктура високоміцного чавуну з кулястим графітом, Х250: а — глобулярний графіт, X 150; б — перлітний чавун; г — феритний чавун

 

Для виготовлення колінчатих валів автомобілів і багатьох інших деталей застосовують високоміцні чавуни зі структурою зернистого перліту, що забезпечують більш високі механічні властивості. Структуру зернистого перліту одержують спеціальною термічною обробкою, що складається з нагрівання до 950 °С, охолодження до 600 °С и підігріву до 725 °С с тривалою витримкою при цій температурі. ЧКГ застосовують,і для виготовлення деталей верстатів, ковальсько-пресового устаткування, що працюють у підшипниках і інших вузлах тертя при підвищених і високих тисках (до 1200 МПа).

Антифрикційні ЧКГ виготовляють двох марок: АЧВ-1 (2,8-3,5 % С; 1,8-2,7 % Si; 0,5-1,2 % Мn; <0,7 % Сu) з перлітною структурою й АЧВ-2 з підвищеним змістом кремнію (2,2-2,7% Si) і ферито-перлітною структурою (-50% перліту). Перлітний високоміцний чавун АЧВ-1 призначається для роботи у вузлах тертя з підвищеними окружними швидкостями в парі з загартованим або нормалізованим валом.

Чавун з вермикулярним графітом ЧВГ володіє високими ливарними властивостями.

Ковкий чавун

Ковкий чавун одержують тривалим нагріванням при високих температурах з білого чавуну. У результаті відпала утвориться графіт пластівчастої форми (рис. 100). Такий графіт у порівнянні з пластинчастим менше знижує міцність і пластичність металевої основи структури чавуну. Металева основа ковкого чавуну: ферит (феритний ковкий чавун, рис. 100, а) і рідше перліт (перлітний ковкий чавун, рис. 100,б). Найбільшою пластичністю володіє феритний ковкий чавун, що застосовують у машинобудуванні.

Хімічний склад білого чавуну, що відпалюється на ковкий чавун, вибирають у межах: 2,5-3,0 % С; 0,7-1,5 % Si; 0,3- 1,0% Mn; <0,12% S і <0,18% Р (у залежності від необхідної структури металевої основи). Чавун має знижений зміст вуглецю і кремнію. Більш низький зміст вуглецю сприяє підвищенню пластичності, тому що при цьому зменшується кількість графіту, що виділяється при відпалі, а знижений вміст кремнію виключає виділення пластинчастого графіту в структурі виливків при охолодженні.

Рис. 7. Мікроструктура ковкого чавуну х500-а-феритний чавун; б-перлітний чавун

 

Товщина перетину виливка не повинний перевищувати 40-50 мм. При більшому розмірі виливків у серцевині утвориться пластинчастий графіт і чавун стає непридатним для відпалу.

Рис. 8. Схема відпалу ковкого чавуну

 

Відпал проводять у двох стадій (рис. 8). Спочатку виливка витримують при 950-970 °С. У цей період протікає стадія I графітизації, тобто розпад цементиту, що входить до складу ледебуриту (А + Fе₃С), і встановлення стабільної рівноваги аустеніт+графіт. У результаті розпаду цементиту дифузійним шляхом утвориться пластівчастий графіт (вуглець відпалу).

Потім виливка прохолоджують до температур, що відповідають інтервалові евтектоїдного перетворення. При охолодженні відбуваються виділення з аустеніту вторинного цементиту, його розпад і в підсумку ріст графітних включень. При досягненні евтектоїдного інтервалу температур охолодження різке сповільнюють або дають тривалу витримку при температурі трохи нижче цього інтервалу. У цей період протікає стадія II графітизації: розпад аустеніту з утворенням ферито-графітної структури або розпад цементиту, що входить до складу перліту, з утворенням фериту і графіту (у процесі витримки нижче евтектоїдної температури). Після закінчення стадії II графітизації структура чавуну складається з фериту і пластівчастого графіту.

Злам феритного чавуну бархатистий-чорний унаслідок великої кількості графіту. Якщо не проводити витримку нижче евтектоїдної температури (або якщо в цьому інтервалі температур швидкість охолодження підвищена), то утвориться перлітний ковкий чавун (П+Г), що має світлий (сталистий) злам.

Для прискорення відпалу вживають різних заходів: чавун модифікують алюмінієм (рідше бором, вісмутом і іншими елементами), підвищують температуру нагрівання чавуну перед розливанням, застосовують перед відпалом старіння, частіше в процесі нагрівання до температури відпалу при 350-400 °С, підвищують температури стадії I графітизації (але не вище 1080 °С) або ж виконують відпал у захисній атмосфері. У цьому випадку тривалість відпалу складає 24-60 год.

Ковкий чавун маркірують буквами КЧ і цифрами. Перші дві цифри вказують тимчасовий опір при розтяганні, кгс/мм², другі - відносне подовження, %. З виливків ковкого чавуну виготовляють деталі, що працюють при ударних і вібраційних навантаженнях. Так, феритні ковкі чавуни КЧ37-12 і КЧ35-10 використовують для виготовлення деталей, - експлуатованих при високих динамічних і статичних навантаженнях (картери редукторів, маточини, гаки, скоби і т.д.), а КЧ30-6 КЧ33-8- для менш відповідальних деталей (голівки, хомутики, гайки, глушителі, фланці, муфти і т.д.). Твердість феритного чавуну 163 НВ. Перлітні ковкі чавуни КЧ50-4, КЧ56-4, КЧ60-3 і КЧ63-2 мають високу міцність, помірною пластичністю і гарними антифрикційними властивостями. Твердість перлітного чавуну 241-269 НВ (2410-2690 МПа). З перлітного ковкого чавуну виготовляють качани карданних валів, ланки і ролики ланцюгів конвеєра, втулки, муфти, гальмові колодки і т.д. Ковкий чавун застосовують головним чином для виготовлення тонкостінних деталей на відміну від високоміцного магнієвого чавуну, що використовують для деталей великого перетину. Деяке застосування знайшов антифрикційний ферито-перлітний чавун АКЧ-1 і АКЧ-2.

Для підвищення твердості, зносостійкості і міцності ковкого чавуну іноді застосовують нормалізацію з 800-850 °С або загартування з 850-900 °С и відпустку при 450-700 °С. Загартування з наступною високою відпусткою дозволяє одержати структуру зернистого перліту.

Спеціальні чавуни

До цієї групи чавунів (ДСТ 7769-82) відносяться жаростійкі, котрі володіють окалиностійкість, жаростостійкістю і тріщиностійкістю, жароміцні, що володіють високою тривалою міцністю і повзучістю при високих температурах, і корозійностійкі чавуни. Жаростійкість сірих чавунів і ЧШГ може бути підвищена легуванням кремнієм (ЧС5) і хромом (ЧХ28, ЧХ32). Ці чавуни характеризуються високою жаростійкістю, окалиностійкістю на повітрі в топкових і генераторних газах до 700-800 °С. Високою термостійкістю й опірністю окалино утворенню володіють аустенітні чавуни: високолегований нікелевий сірий чавун ЧН15Д7 і з кулястим графітом ЧН15ДЗШ. Як жароміцні чавуни використовують аустенітні чавуни з кулястим графітом ЧН19ХЗШ і ЧН11Х17Ш.

Для підвищення жароміцності чавуни піддаються відпалу при 1020-1050 °С с охолодженням на повітрі і наступному відпуску при 550-600 °С. Після такої обробки леговані карбіди здобувають форму дрібних округлих включень, а карбіди М₃С виділяються в дисперсній формі. У якості корозійностійких застосовують чавуни, леговані кремнієм (феросиліцій): ЧС13, ЧС15, ЧС17 і хромом: ЧХ22, ЧХ28, 4X32. Вони володіють високою корозійною стійкістю в сірчаній, азотній і ряді органічних кислот. Для підвищення корозійної стійкості кремнієвих чавунів їх легують молібденом ЧС15М4, ЧС17МЗ (антихлори). Високою корозійною стійкістю в лугах володіють нікелеві чавуни, наприклад аустенітний чавун ЧН15Д7.

Аустенітні чавуни застосовують також у якості парамагнітних. Немагнітні чавуни використовують у тих випадках, коли потрібна мінімальна втрата потужності (кришки масляних вимикачів, кінцеві коробки трансформаторів і т.д.) або коли потрібно уникнути перекручувань магнітного поля.