Сплави з алюмінію, заліза та міді

 

Білий чавун

Білим називається чавун, у якого весь вуглець знаходиться у зв’язаному стані у вигляді цементиту. Цей чавун кристалізується у відповідності з діаграмою залізо – цементит і відрізняється високою крихкістю. Колір чавуну сріблясто – білий. Фазовий склад чавунів при кімнатній температурі такий же як і у сталей – Ф+Ц, але властивості відрізняються, оскільки у білих чавунах велика кількість цементиту.

По кількості вуглецю і структурі білі чавуни діляться на доевтектичні (2,14 – 4,3% С), евтектичні (4,3% С), заевтектичні (4,3 – 6,67% С). У промисловості використовуються в основному до евтектичні чавуни, які мають структуру  П+Л+ЦІІ. Із білих чавунів виливають валки прокатних станів, стрілки трамвайних рейок, бандажі вагонних коліс, кулі різних млинів. Із цього чавуну отримують ковкий чавун. Як правило, відливки мають структуру половинчастого чавуну, у якого на поверхні утворюється структура білого чавуну, а серцевина представляє собою сірий чавун. Білий чавун – це переробний чавун, який іде на виплавку сталей.

Сірі чавуни

Сплав заліза та вуглецю, у якого вуглецю більше 2,14% С називається чавуном. Присутність евтектики чавуну обумовлює його використання в якості ливарного сплаву. Сірим називається такий чавун, у якому весь вуглець перебуває у вільному стані у вигляді графіту.

Утворення графіту у чавуні може відбуватися безпосереднім виділенням його із рідкого розплаву, або внаслідок розпаду попередньо утвореного цементиту. Утворення вуглецю у формі графіту називається графітизацією. Кристалізація графіту із рідкого розплаву проходить при більш високій температурі ніж кристалізація цементиту.

В стабільній системі Fe – C при температурі, яка відповідає лінії С´D´ кристалізується не цементит, а графіт.

Вірогідність утворення у рідкій фазі ( або аустеніті ) метастабільного цементиту, який містить 6,67 %С,значно вища ніж графіту , який складається тільки з атомів вуглецю. Графіт утворюється тільки при дуже малій швидкості охолодження, коли ступінь переохолодження рідкої фази невелика. При переохолодженні рідини нижче 1147 °С  утворюється цементит.

У рідкому чавуні присутні різні включення, які полегшують утворення та ріст графітних зародків. При наявності готових зародків процес утворення графіту може відбуватися і при температурах нижче 1147 °С. До цього призводить і легування чавуну кремнієм, який сприяє процесу графітизації.

Графіт, який утворюється із рідкої фази, росте із одного центру і, розгалужуючись у різні сторони, набуває форму сильно викривлених пелюсток. В площині шліфа графіт має вигляд або завихрених пластинок, які представляють собою різні розрізи графітних пелюсток.

Основний вплив на властивості чавунів надає вуглець у формі графіту. Графіт може бути: пластинчатий, пластівцевий,  кулястий та вермикулярний.

У звичайному сірому ливарному чавуні графіт має пластинчасту форму, чавун з пластівцевою формою – ковкий, а з кулястою – високоміцний. Властивості чавунів в значній мірі залежать від форми, кількості та характеру розподілу графіту.

Графіт в порівнянні зі сталлю має низькі механічні властивості, а тому графітні включення можна вважати пустотами, мікротріщинами. Чим більший об'єм займають пустоти, тим нижче властивості чавунів. Чим більше у чавуні графіту, тим нижчі його механічні властивості. Чим грубіші включення, тим більше вони роз'єднують металеву основу, тим гірші властивості чавуну. Графітні пластинки, які відіграють роль тріщин, гострих надривів у металі, сильно знижують опір розвитку тріщин, межу міцності при розтягуванні. Опір розриву, вигину, скручуванню визначаються в основному кількістю, формою і розмірам графітних включень. Ці властивості чавунів значно нижчі ніж у сталях. Негативний вплив графітних включень на властивості чавунів зменшується по мірі заокруглення графіту і змінюється від пластівцевої до кулястої, оскільки куляста форма не створює різких концентрацій напружень і такі включення не являються тріщинами у чавуні.

Металева основа чавуну може складатися із перліту (кількість зв'язаного вуглецю 0,8%), або із фериту і перліту (кількість зв'язаного вуглецю менше 0,8%) або тільки фериту (С≤ 0,025%). Тому , в залежності від структури металевої основи розрізняють: перлітний чавун - П+Г, ферито-перлітний – П+Ф+Г, та феритний – Ф+Г.  

На характеристики міцності суттєво впливає структура металевої основи. Чавун з перлітною структурою має найбільшу твердість, міцність та зносостійкість. Присутність фериту у структурі металевої основи призводить до зниження характеристик міцності і зносостійкості. Пластичність чавунів мало залежить від структури металевої основи.

Форма графітних включень мало впливає на твердість чавуну, але на міцність і пластичність впливає в значній мірі. Найбільш благодатною формою є куляста, а пластинчатий графіт знижує міцність і пластичність чавуну.

 

Сірий чавун (ливарний)

Сірий чавун – це чавун з пластинчатою формою графітних включень. Він утворюється при графітизації за діаграмою залізо - графіт. При литві з наступним повільним охолодженням графіт набуває пелюсткову (розеточну) форму, яка у розрізі має форму пластинок.

Графіт зменшує (як пустота) міцність і пластичність, опір відриванню, тимчасовий опір. Відносне подовження при розтягуванні сірого чавуну не залежно від металевої основи практично дорівнює нулю. Графітні включення мало впливають на зменшення межі міцності при стисканні та твердість, величина яких залежить від металевої матриці. При. стисканні чавун зазнає значної деформації, руйнівне навантаження при стисканні в залежності від якості чавуну і його структури в 3-5 разів більше ніж при розтягуванні. Тому такий чавун рекомендується застосовувати для виробів, що працюють на стискання.

 Графіт значно менше  знижує міцність при згинанні  ніж при розтягуванні.

Графіт, порушуючи суцільність металевої основи, робить чавун малочутливим до  різного роду концентраторів напружень (дефектів поверхні, надрізів, виточок).  Внаслідок цього чавун має приблизно однакову конструкційну міцність у виливках простої форми  або з рівною поверхнею і складною формою з надрізами або з погано обробленою поверхнею. Графіт підвищує зносостійкість і антифрикційні властивості чавуну завдяки власне змазуючій дії і підвищенню міцності плівки змащуючого  матеріалу. Графіт покращує оброблюваність різанням, він робить стружку ламкою.

Металева основа у сірому чавуні забезпечує найбільшу міцність та зносостійкість при перлітній основі. Присутність фериту, не підвищуючи  пластичність і в'язкість чавуну, знижує його міцність та зносостійкість. Феритний чавун має найменшу міцність. Сірий чавун має високі демпфірувальні властивості, він добре гасить вібрації і резонансні коливання, високі антифрикційні властивості.

Сірий чавун маркується буквами «СЧ» і цифрами, що характеризують границю міцності матеріалу при випробовуваннях на розтяг. Виготовляють – будівельні колони, фундаментні плити, литі  малонавантажені деталі сільгоспмашин, верстатів, автомобілів, тракторів, арматура, станини потужних верстатів, поршні циліндрів, деталі, що працюють на знос в умовах високого тиску, компресорів, дизельних циліндрів,блоки двигунів, деталі металургійного обладнання.

Ковкий чавун

Ковкий чавун – це чавун з пластівцевою формою графітних включень. В порівнянні з пластинчатим графітом, пластівцевий графіт розташовується в металевій основі чавуну більш компактно, включення графіту не діють як гострі надрізи і тому такі включення в меншій мірі ослаблюють металеву основу.

Ковкий чавун отримують довготривалим нагрівом при високих температурах (відпал) виливок із білого чавуну. В результаті відпалу утворюється графіт пластівцевої форми. Металева основа ковкого чавуну: Ф, Ф+П, П. Найбільшою пластичністю характеризується феритний ковкий чавун, який широко використовується у машинобудуванні.

Хімічний склад білого чавуну, який відпалюють на ковкий чавун, вибирають в межах: 2,5…3,0% С, 0,7…1,5% Si, 0,3…1,0% Mn, ≤ 0,12% S,  0,18% P. Чавун має понижений вміст вуглецю і кремнію. Більш низький вміст вуглецю сприяє підвищенню пластичності, оскільки при цьому зменшується кількість графіту, який виділяється при відпалюванні, а понижена кількість кремнію запобігає виділенню пластинчатого графіту в структурі виливки при охолодженні.

Товщина стінки виливки не повинна перевищувати 40…50мм. При більших розмірах стінки в серцевині утворюється пластинчатий графіт, і чавун стає непридатним до відпалювання. Відпалювання проводиться у дві стадії. Перша стадія поводиться при 950…970°С – І-а стадія графітизації, після якої утворюється структура А+Г. в результаті розпаду цементиту дифузійним шляхом утворюється пластівцевий графіт (вуглець відпалювання).

Після цього виливки охолоджують до температур, які відповідають інтервалу евтектоїдного перетворення.

При охолодженні відбувається  виділення із аустеніту вторинного цементиту, його розпад і як результат ріст графітних включень. При досягненні евтектоїдного інтервалу температур охолодження різко уповільнюють або дають додаткову витримку при температурі нижче цього інтервалу. В цей період протікає друга стадія графітизації: розпад аустеніту на Ф і Г або розпад цементиту, який входить в склад перліту з утворенням Ф і Г (в процесі витримки нижче евтектоїдної температури). Після закінчення другої стадії графітизації структура чавуну складається із фериту і пластівцевцевого графіту.

Для прискорення відпалювання застосовують різні заходи: чавун модифікують алюмінієм, підвищують температуру нагріву чавуну перед розливкою, перед відпалом проводять старіння – 300…400°С, підвищують температуру першої стадії графітизації (але не вище 1080°С), відпалювання проводять у захисній атмосфері. В такому випадку тривалість відпалювання складає 24…60 годин замість 70…80 годин.

Ковкий чавун маркують буквами «КЧ» і цифрами границі міцності і відносного видовження, КЧ 35-10.

Виливки із ковких чавунів застосовують для деталей, що працюють при ударних і вібраційних навантаженнях (картери, редуктори, фланці, муфелі, крюки, скоби).

Перлітні ковкі чавуни характеризуються високою міцністю, помірною пластичністю і хорошими антифрикційними властивостями. З них виготовляють вилки карданних валів, втулки, муфти, тормозні колодки, ланки і ролики цепів конвеєра та ін.

Ковкі чавуни застосовують в основному для виготовлення тонкостінних деталей на відміну від високоміцного.

 

Високоміцний чавун

У високоміцному чавуні графіт має кулясту форму. Кулястий графіт утворюється в литій структурі в процесі кристалізації. Кулястий графіт, який має мінімальну поверхню при даному об'ємі, значно менше послаблює металеву основу ніж пластичний графіт, і не являється активним концентратором напружень. Куляста форма графіту досягається модифікуванням. Модифікатори чавуну SiCa, FeSi, AlMg, але найчастіше використовують магній, який вводять перед розливанням чавуну, у кількості до 0,5%. Дія магнію пояснюється збільшенням поверхневого натягу графіту і утворенням мікробульбашок пари, в які дифундує вуглець.

Чавун з кулястим графітом має більш високі механічні властивості, які не поступають властивостям литої сталі. При цьому зберігаються гарні ливарні властивості та оброблюваність різанням, здатність гасити вібрації, чавун має високу зносостійкість.

Склад чавуну як правило: 2,7…3,7% C, 1,6…2,9% Si, 0,3…0,7% Mn, ≤0,1% S та P.

Маркується високоміцний чавун літерами «ВЧ» і цифрою, що характеризує границю міцності при випробовуванні на розтяг, ВЧ-45.

Високоміцні чавуни використовують для виливання деталей в автобудуванні, дизелебудуванні – колінчаті вали,кришки циліндрів, деталі прокатних станів, в ковальсько – пресовому обладнанні – шаботи, молоти, траверси, преси, корпуси насосів, вентилі – у хімічній та нафтовій промисловості.

Високоміцні чавуни піддають багатьом видам термічної  та хіміко-термічної обробки, і зокрема ізотермічне гартування на бейніт забезпечує границю міцності на рівні 100 МПа.

Високоміцні чавуни поряд з кулястими можуть містити деяку кількість вермикулярного графіту. Графітні включення в ньому мають округлі краї і менше співвідношення довжини і товщини. Тому вермикулярний графіт представляє собою перехідну форму від пластинчатого до кулястого графіту і не є таким значним концентратором напружень, як пластинчатий.

Співвідношення кількості кулястого та вермикулярного графіту у чавуні при однаковій кількості кремнію і вуглецю залежить головним чином від обробки розплаву лігатурами, що містить магній і рідкоземельні метали. Чавун з вермикулярним графітом може містити не більше 40% кулястого графіту, його позначають «ЧВГ», за яким йде число, що вказує на значення границі міцності.

Марку чавуну з вермикулярним графітом можна змінити шляхом використання термічної обробки, змінюючи структуру металевої основи. При однаковій структурі металевої основи механічні властивості чавуну з вермикулярним графітом  знаходяться між значеннями властивостей сірого чавуну з пластинчатим графітом і високоміцного чавуну з кулястим графітом. Чавуни марок «ЧВГ» міцніші , а при однаковій міцності більш пластичні, ніж чавуни марок СЧ. Вони перевищують чавуни марок ВЧ з оброблюваності різанням та здатності до демпфірування , і їх використовують на заміну марок СЧ для виливання деталей верстатів, ковальсько-пресового обладнання, корпусних деталей.

При певних умовах роботи застосовують чавуни зі спеціальними властивостями, які поділяють на антифрикційні, зносостійкі, жаростійкі та корозійностійкі.