Марки чавунів, їх отримання та призначення

Білі чавуни характеризуються тим, що в них увесь вуглець міститься в зв'язуючому стані у вигляді цементиту Fе₃С. Злам такого чавуну буде срібно-білий. Білі чавуни крихкі, тверді, не піддаються механічній обробці різцем. Білі чавуни майже не використовуються. Понад 90 % білих чавунів переробляється на сталь, або їх використовують для отримання ковкого чавуну. Отриманню білого чавуну сприяють: швидке охолодження, підвищений вміст карбідоутворюючих домішок, знижений вміст графітоутворюючих.

Структура білих чавунів відповідає діаграмі стану і поділяється на класи:

Ø доевтектичні, що містять вуглець від 2,14 до 4,3 %, структура їх складається з перліту, цементиту вторинного і ледебуриту;

Ø евтектичні, що містять 4,3 % вуглецю, структура – ледебурит (перліт + цементит ІІ);

Ø заевтектичні, що містять від 4,3 до 6,67 %, структура – цементит первинний і ледебурит.

Через високу твердість та крихкість цей чавун має обмежене застосування – валки подріблювальних машин, виливання наборів опалювальних систем, ємностей для агресивних середовищ і т.д.

Широко застосовуються деталі з відбіленого чавуну, в яких поверхневі шари мають структуру білого чавуну, а серцевина – сірого. Така будова створюється при швидкому охолодженні поверхні виливки, при заливанні металу в металеві форми. Висока твердість поверхні обумовлює добрий опір абразивному спрацюванню. Тому відбілений чавун застосовують для виготовлення валків і жерновів подріблювальних машин, валків мостових станів, бичів молотильного апарату і т.д.

Сірі чавуни – характеризуються тим, що в них увесь вуглець або частина його міститься у вільному стані у вигляді графіту. На графітизацію сірих чавунів впливає швидкість охолодження виливки, кількісний зміст графітоутворюючих домішок. Механічні властивості чавуну визначаються пластинчастою формою графіту, взаємним перетином пластинчастих включень з площиною шліфа металевої основи. Графіт має дуже низькі механічні властивості, тому чавун можна розглядати як сталь, що має велику кількість тріщин, надрізів, порожнин. Тому чавун рекомендується використовувати переважно для виробів, що підлягають стисканню.

У таблицях 1 і 2 наведено показники пластичності й твердості чавуну залежно від форми графітових включень та структури металевої основи, мікроструктуру металевої основи чавунів показано на рис. 2.

Таблиця 1.

Таблиця 2.

Як конструкційний матеріал, чавун має декілька переваг порівняно зі сталлю. Він краще обробляється різанням, володіє антифрикційними властивостями, не чутливий до концентраторів напружень.

Сірий чавун маркується двома літерами СЧ і однією парою цифр, що позначають гарантоване значення границі міцності при розтягуванні (σ_в) в кгс/мм².

Високоміцні чавуни отримують із звичайного сірого перлітного чавуну шляхом подвійного модифікування: додаванням у рідкий чавун перед розливанням магнію і ферросіліцію. Під дією магнію графіт в процесі кристалізації приймає не пластинчасту, а кулеподібну форму.

Металева основа	Форма графітових включень
Пластинчаста	Пластівчаста	Куляста
Феритна
Феритно-перлітна
Перлітна

Рис. 2. Форма графіту і мікроструктура чавунів

Кулястий (глобулярний) графіт, що має мінімальну поверхню при даному об’ємі, значно менше, ніж пластинчатий графіт, послаблює металеву основу чавуну, не є активним концентратором напружень. Тому високоміцні чавуни мають високі механічні показники, які не поступаються вуглецевій сталі, зберігаючи при цьому позитивні властивості чавуну: добрі ливарні якості, оброблення різанням, високу стійкість до спрацювання і таке ін. Високоміцні чавуни застосовуються для виготовлення деталей машин, на які діють ударні навантаження, змінні напруження, наприклад пресового обладнання, картерів, втулок, корпусів, насосів, вентилів і т.д.

За ДСТУ 7293 передбачено такі марки високоміцних чавунів: ВЧ39-17, ВЧ42-12, ВЧ45-5, ВЧ60-2, ВЧ70-2, ВЧ80-2, ВЧ100-2, ВЧ120-2.

Перші дві цифри вказують на границю міцності за розтягування (σ_в) в кгс/мм², останні цифри – відносне видовження в %.

Ковкими називають чавуни, в яких увесь або майже увесь вуглець міститься у вільному стані і має пластівцеподібну форму. Отримують його тривалим відпалюванням білого чавуну за високих температур. Залежно від режиму відпалювання отримують чавуни з різною металевою основою. На рис. 3 зображена схема відпалювання.

За температури 950–1000 ºС відбувається перша стадія графітизації вторинного цементиту білого чавуну (Fe₃C→Feγ(C) + С (графіт)). Графіт, який утворюється, має пластівцеподібну форму. В процесі охолодження аустеніт, що залишився, перетворюється на перліт, отриманий ковкий чавун має структуру – перліт і графіт.

Якщо після першої стадії графітизації чавун повільно охолодити до температури 700–720 ºС, дати тривалу витримку, проходить друга стадія графітизації (Fe₃C→Feα(C) + С (графіт)). Вторинний цементит перліту перетворюється на графіт. При цьому утворюється феритний ковкий чавун. Якщо процес перервати при другій стадії графітизації, цементит, що входить до складу перліту, розпадається не до кінця, і чавун буде мати феритно-перлітну основу.

Ковкий чавун за технологічними і механічними властивостями займає проміжне положення між сталлю та сірим чавуном. Він має меншу, ніж сталь, чутливість до надрізів і значну величину внутрішнього тертя, більш високі показники (ніж сірі чавуни) границі міцності, відносного видовження, ударної в'язкості. Це дозволяє отримуватиіз ковких чавунів деталі високої міцності, довготривалості та експлуатаційної надійності. Тонкостінні (7–8 мм) деталі із ковких чавунів витримують гідравлічні тиски до 4 МПа, що дозволяє широко застосовувати цей чавун для деталей водо-, газо- та паропровідних пристроїв.

Із ферметних ковких чавунів марок КЧ37-12, КЧ35-10 виготовляють деталі, що експлуатуються при високих динамічних і статичних навантаженнях: картери редукторів, ступиці, гаки, скоби та ін.

Рис. 3. Графік відпалювання білого чавуну на ковкий

Перлитні чавуни марок КЧ45-7, КЧ50-5 володіють високою міцністю, достатньою пластичністю та добрими антифрикційними властивостями. Із них виготовляють вилки карданних валів, втулки, муфти, гальмівні колодки і т.д.