ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 5
Мета лабораторної роботи:
При виконанні даної лабораторної роботи студент повинен засвоїти класифікацію чавунів по типу, знати їх структуру та властивості, можливості застосування. Особлива увага приділяється сірим чавунам, з яких, в основному, виготовляються заготовки для деталей машин. Студент повинен навчитися чітко розрізняти сірі чавуни по структурі, знати вплив кількості та характеру розподілу графіту на властивості чавунів, особливості отримання та властивості високоміцних та ковних чавунів.
Завдання лабораторної роботи:
Після виконання лабораторної роботи студент повинен набути практичних навичок використання чавунів різних типів, вміти розшифровувати марки чавунів, знати їх структуру та властивості та вміти чітко їх застосовувати.
Стислі теоретичні відомості:
Чавуном називається сплав заліза з вуглецем, в якому міститься від 2,14% до 6,67% вуглецю.
Вуглець в чавуні знаходиться як в зв’язаному стані у вигляді цементиту, так і у вільному - у вигляді графіту.
Чавун, в якому увесь вуглець знаходиться в зв’язаному стані у вигляді цементиту, називається білим. Його злам має специфічний світлий блиск із-за наявності цементиту.
Чавун, в якому увесь або частина вуглецю знаходиться у вільному стані у вигляді графіту, називається сірим. Графіт придає зламу такого чавуна сірий колір.
В залежності від форми графіту та умов його утворення розрізняють чавун: сірий, високоміцний та ковний.
Сірий чавун.
Найбільш широке застосування знайшли сірі чавуни, в яких міститься 2,4…3,8% С. Чим більше вуглецю, тим більше утворюється графіту і тим нижче його механічні властивості. В зв’язку з цим вміст вуглецю не повинен перебільшувати 3,8% С. В той же час для забеспечення високих ливарних властивостей чавуна вуглецю повинно бути не менше 2,4% С.
На властивості чавунів чинять вплив постійні домішки.
Кремній, вміст якого в сірих чавунах знаходиться у межах 1,2…3,5%, дуже впливає на властивості чавуна.
Охолодження чавуну в реальних умовах відрізняється від рівноважних. Структура чавуну при цьому залежить від хімічного складу (вмісту С і Si) та швидкості кристалізації.
Кремній сприяє процесу графітизації. Шляхом змінення вмісту в чавуні вуглецю та кремнію з одного боку та, з іншого, швидкості охолодження, можна отримати різну структуру металічної основи чавуна.
Кількість марганцю в чавуні не перебільшує 1,25…1,4%. Марганець перешкоджає процесу графітизації та підвищує здатність чавуна до відбілювання (появі структури білого або половинчастого чавуну, особливо в поверхневому шарі).
Сірка - це шкідлива домішка, яка погіршує механічні та ливарні властивості чавуну, тому її вміст обмежують до 0,1…0,2%.
Вміст фосфору в сірому чавуні близько 0,2%, але іноді допускається до 0,5% (художнє лиття). При збільшенні вмісту фосфору в структурі утворюється фосфориста евтектика, яка поліпшує ливарні властивості чавуну, але при цьому збільшується крихкість його.
Чавуни класифікуються по структурі металічної основи, від якої залежить кількість зв’язаного вуглецю, що визначає і кількість вільного вуглецю у вигляді графіту.
Розрізняють наступні види чавуну:
1. перлітний сірий чавун – має структуру перліт і пластинчатий графіт. В цьому чавуні зв’язаний вуглець в кількості 0,7…0,8% знаходиться у вигляді цементиту, який входить у склад перліту;
2. ферито-перлітний сірий чавун – має структуру ферит, перліт і пластинчатий графіт. В цьому чавуні в залежності від ступеня розпаду евтектоїдного цементиту у зв’язаному стані знаходиться от 0,7 до 0,1% С;
3. феритний сірий чавун – має структуру ферит і пластинчатий графіт. В цьому випадку увесь вуглець або його частина знаходиться у вигляді графіту;
4. половинчастий чавун – більша частина вуглецю (понад 0,8%) знаходиться у вигляді цементиту. Структура – перліт, ледебурит і пластинчатий графіт або перліт, цементит і пластинчатий графіт.
Процес графітизації проходить тим повніше, чим повільніше охолодження. В виробничих умовах швидкість охолодження характеризується товщиною стінки виливка. Чим тонше виливка, тим швидше охолодження і в менший ступені проходить процес графітизації, тим більше треба вуглецю та кремнію.
Механічні властивості чавуну обумовлені його структурою, головним чином, графітною складовою. Графіт грає роль надрізів в металічній основі чавуна, тому механічні властивості чавуну будуть залежать від кількості, величини та характеру розподілу графітних включень.
Чим менше графітних включень та чим вони дрібніше, тим вище міцність чавуну. Пластинки графіту зменшують опір відриву, границю міцності та особливо пластичність чавуну. Відносне видовження при розтягуванні сірого чавуну практично дорівнює 0 (0,5%). Графітні включення мало впливають на зниження границі міцності при стисненні та твердості, тому чавун рекомендується використовувати переважно для виробів, які працюють на стиснення.
Менше графіт знижує міцність при згинанні. Твердість чавуну НВ 140…255.
Графіт збільшує зносотривкість та антифрикційні властивості чавуну внаслідок власної “змащувальної” дії та підвищення міцності плівки мастила.
Графіт поліпшує оброблюваність різанням, збільшуючи ламкість стружки.
Металічна основа в сірому чавуні забезпечує найбільшу міцність та зносотривкість, якщо вона має перлітну структуру. Присутність в структурі фериту, не збільшуючи пластичності та в’язкості, снижує міцність та зносотривкість. Найнижчі механічні влстивості має феритний сірий чавун.
Сірий чавун маркірують літерами С – сірий, Ч – чавун, після літер пишуться цифри, які указують середню величину границі міцності при розтягуванні.
Сірі чавуни по властивостям та застосуванню можна розділити на наступні групи:
1. Феритні та ферито-перлітні сірі чавуни (СЧ 00, СЧ 12, СЧ 15, СЧ 18).Структура чавунів - перліт, ферит та графіт грубої або середньої величини. Ці чавуни використовують для виготовлення маловідповідальних деталей, які зазнають невелике навантаження при роботі (малонавантажені деталі сільгоспмашин, верстатів, автомобілей, фундаментні плити та ін.).
2. Перлітні чавуни (СЧ 21, СЧ 24, СЧ 28, СЧ 32, СЧ 36, СЧ 40) застосовують для виливок станин потужних верстатів та механізмів, поршней, циліндрів, деталей, які працюють на знос в умовах великого тиску: блоки двигунів, компресорне, турбинне лиття. Структура таких чавунів – дрібнопластинчатий перліт з дрібними включеннями графіту.
До перлітних чавунів відносяться також сталисті та модифіковані чавуни.
Сталисті чавуни (СЧ 24, СЧ 28) отримують виплавленням з додатком у шихту 20…30% стального брухту. Чавуни мають понижений вміст вуглецю, що забезпечує отримання більш дисперсної перлітної основи з меншою кількістю графітних включень.
Модифіковані чавуни (СЧ 32, СЧ 36, СЧ 40, СЧ 44) отримують при додаванні у рідкий чавун перед розливанням спеціальних добавок – модифікаторів (ферросиліцій, силікокальцій). Модифікування застосовують для отримання в чавуних виливках з різною товщиною стінок перлітної металічної основи з вкраплюванням невеликої кількості ізольованих пластинок графіту середньої величини. Модифікуванню підлягає низьковуглецевий чавун, який містить невелику кількість кремнію і підвищену кількість марганцю та який має без введення модифікатора структуру половинчастого чавуну, т. е. П + Л + Г.
Антифрикційні чавуни застосовують для виготовлення підчіпників ковзання, втулок та ін. деталей, які працюють при терті об метал, частіше при наявності мастила. Ці чавуни повинні забезпечувати антифрикційність, т. е. малий коефіцієнт тертя. Такі властивості чавуну визначаються співвідношенням перліту та фериту в основі, а також кількістю і формою графіту. Бувають следуючі марки такого чавуну: АЧС-1, АЧС-2, АЧС-3. Деталі, які працюють в парі із загартованими або нормалізованими стальними валами, виготовляють із перлітних чавунів АЧС-1, АЧС-2, а для роботи в парі з термічно необробленими валами - АЧС-3.
Білий та відбілений чавун.
Білий чавун внаслідок присутності в ньому цементиту має високу твердість, крихкість та практично не застосовується для виготовлення деталей. Основна його кількість іде на переробку в сталь.
Відбіленими називаються чавунні виливки, в яких поверхневі шари мають структуру білого (або половинчастого) чавуну, а осердя – сірого чавуну. Між цими зонами може бути перехідний шар. Відбіл на деяку глубину (12…30 мм) являється слідством швидкого охолодження поверхні, що виникає в результаті лиття чавуну в кокіль або в піщану форму.
Висока твердість поверхні (НВ 400…500) зумовлює хорошу спротивливість проти зносу, особливо абразивного, тому із відбіленого чавуну виготовляють прокатні валки для листових станів, колеса, кулі для млинів. Його склад: 2,8…3,6% С; 0,5…0,8% Si; 0,4…0,6% Мn.
Високоміцний чавун.
Отримують присаджуванням в рідкий чавун невеликих добавок магнію (0,03…0,07% від маси металу). По вмісту інших елементів цей чавун не відрізняється від звичайного сірого.
Під впливом магнію графіт в процесі кристалізації приймає не пластинчату, а кульовидну форму. Кулястий графіт, який має мінімальну поверхню, значно менше ослаблює металічну основу чавуну, чим пластинчатий графіт. Чавуни з кулястим графітом мають більш високі механічні властивості, які не поступають властивостям вилитої сталі, зберігая при цьому добрі ливарні властивості та оброблюванність різанням, здатність гасити вібрації, високу зносотривкість.
Маркірують високоміцні чавуни литерами ВЧ та цифрами, які указують значення границі міцності при розтягуванні та відносне видовження: ВЧ 50-2, ВЧ 60-2, ВЧ 45-5 та ін.
По структурі металічної основи вони можуть бути такими ж, як і звичайні сірі чавуни.
Виливки із високоміцного чавуну широко використовують в народному господарстві: колінчасті вали, кришки циліндрів, деталі прокатних станів, корпуси насосів та ін.
Ковний чавун
Отримують тривалим нагрівом при високих температурах (відпалом) виливок із білого чавуну. В результаті відпалу утворюється графіт у формі пластівців. Такий графіт в порівнянні з пластинчатим менше знижує міцність та пластичність металічної основи, яка може бути феритною або перлітною. Найбільшу пластичність має феритний ковний чавун, який і застосовують в машинобудуванні.
Чавун має знижений вміст вуглецю та кремнію. Відпал проводять у дві стадії. Спочатку виливки, упаковані в ящики з піском, витримують при 950…970ºС. В цей період проходить I стадія графітизації, т. е. розпад цементиту, який входить в склад ледебуриту та установлення стабільної рівноваги А + Г. В результаті розпаду цементиту дифузійним шляхом утворюється графит у вигляді пластівців (вуглець відпалу). Потім виливки охолоджують до температур, які відповідають інтервалу евтектоїдного перетворення. При охолодженні проходить відокремлювання ЦII із аустеніту, його розпад і в наслідок зріст графітних включень. При досягненні евтектоїдного інтервалу температур охолодження різко уповільнюють або дають тривалу витримку при температурі трохі нижче цього інтервалу. В цей період проходить II стадія графітизації: розпад аустеніту з утворенням феритографітної структури або розпад цементиту, який входить у склад структури перліт, з утворенням Ф + Г (в процесі витримки нижче евтектоїдної температури). Після закінчення II стадії графітизації структура чавуна Ф + графит у вигляді пластівців. Злом його оксамито-чорний внаслідок великої кількості графіту. Якщо не проводити витримку нижче евтектоїдної температури, то утворюється перлітний ковний чавун (П + Г), який має світлий сталистий злом.
Ковний чавун маркірують литерами КЧ та цифрами, які указують границі міцності при розтягуванні та відносне видовження. Виливки із ковного чавуну застосовують для деталей, які працюють при ударних та вібраційних навантаженнях.
Феритні ковні чавуни КЧ 37-12, КЧ 35-10 використовують для деталей, які експлуатуються при високих динамічних та статичних навантаженнях (картери редукторів, колодиці, скобелі). Твердість феритного чавуну НВ 165.
Перлітний ковний чавун КЧ 50-4, КЧ 56-4, КЧ 60-3 має високу міцність і помірну пластичність та хороші антифрикційні властивості. Твердість його НВ241…269. Із нього виготовляють вилки карданих валів, ланки та ролики ланцюги конвейєрів, втулки, муфти, гальмові колодки та ін.
 |
ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ:
При вивчені мікроструктур чавунів спочатку треба розглянути мікрошліфи під мікроскопом до травлення. При цьому металічної основи не буде видно, а графітні включення можна добре вивчити. Треба визначити характер графітних включень, їх розподіл, кількість та замалювати їх у звіт. Для правильного рішення цього завдання треба користуватися еталоном графітних включень, в якому надаються типи включень, їх назва та розмір.
Після вивчення чавунів до травлення треба потравити мікрошліфи 4% розчином азотної кислоти у спирті. Травлення проводиться до тих пір, поки поверхня мікрошліфів стане темною або сірою. Залишки травителя прибирають та вивчають мікрошліфів під мікроскопом.
При розгляданні мікрошліфів треба визначити структурні складові та характер мікроструктури. Кожну вивчену мікроструктуру треба замалювати в належний квадрат, помітити та описати її структурні складові. При цьому треба пам’ятати, що назва сірих чавунів дається по назві металічної основи, що треба відзначити у звіті.
Таким чином проводиться вивчення двох сірих, половинчастого та високоміцного чавунів.
