Залізовуглецеві сплави — це сплави заліза з вуглецем та іншими компонентами: манган і силіцій, які додають у сплав під час розкислення, а також домішки — сірка і фосфор, які потрапляють у чавун під час його виплавлення.

Як відомо, через низькі механічні властивості залізо в техніці не застосовують. Практично чистого заліза немає. Чистота заліза, якої нині досягнуто лабораторним методом, становить 99,99984 % Fe (0,00016 % домішок). Порівняно з металевою колоною Індії, прославленою чистотою заліза (містить 0,28000 % домішок), в ній у 1750 разів більше домішок. Сучасні вчені не можуть визначити спосіб виготовлення цієї колони (416 p.), який оберігає залізо від окиснення та інших атмосферних явищ.

Чавун — це сплав заліза з вуглецем (з вмістом від 2,14 до 6,67 % С).

У машинобудуванні застосовують чавуни, які містять від 2,14 до 4,5 % вуглецю.

Чавун порівняно з вуглецевою сталлю характеризується кращими ливарними і гіршими пластичними властивостями.

Механічні властивості чавуну залежать від двох чинників: кількості, розміру, форми і розподілу графітових вкраплень; структури металевої основи.

Перший чинник має вирішальне значення, оскільки графітові вкраплення, розміщуючись у чавуні і утворюючи ніби надрізи в металевій основі, ослаблюють Його міцність (особливо при великих вкрапленнях). При дрібних графітових вкрапленнях чавун має високі механічні властивості.

Характер і ступінь графітизації зумовлюється швидкістю тверднення і охолодження чавуну. Чим повільніше відбувається процес тверднення й охолодження, тим краще розкладається карбід заліза, тим більше виділяється графіту.

Другим чинником впливу на міцність чавуну є структура його металевої основи.

Нормальна структура сірого чавуну (без добавляння легувальних елементів і без термообробки) є феритною чи перлітною, а проміжна між ними — феритно-перлітною металевою основою.

Найбільш бажана металева основа чавуну — перліт із вмістом 0,8 % зв'язуючого вуглецю Fe3C. Чавуни з феритною і феритно-перлітною основою мають знижену міцність, порівнюючи з перлітним чавуном, але вони характеризуються підвищеною в'язкістю, оскільки в них менше або зовсім немає зв'язуючого вуглецю.

Щоб підвищити механічні властивості чавуну, перед розливанням у форми в рідкий чавун додають модифікатор у вигляді розмеленого силікокальцію чи феросиліцію в кількості 0,1...0,4 % від маси чавуну. Модифікатори розкиснюють чавун, утворюють силікатні вкраплення, які є центрами графітизації і гальмують ріст зерен графіту. Це дає змогу одержувати високоміцний чавун з кулястим графітом.

 Вплив домішок на структуру і властивості чавуну

Вуглець визначає структуру і властивості чавуну. В чавуні він може бути в структурі цементиту або графіту. Графіт у чавуні має пластинчасту, кулясту і пластівцеву форму.

Виділення вуглецю у вигляді графіту надає чавуну кращих ливарних властивостей.

Манган збільшує крихкість чавуну, поліпшує рідкотекучість. Він сприяє відбілюванню чавуну, тобто утворенню хімічної сполуки Fe3C (цементиту). У чавунах міститься 0,5... 1,0 % мангану.

Силіцій сприяє графітизації чавуну, тобто утворенню сірого чавуну. Він утворює із залізом хімічні сполуки (FeSi, Fe3Si2, які називають силіцидами. Силіциди переходять у твердий розчин із залізом, знижують розчинність вуглецю в залізі, сприяють розпаду цементиту з виділенням графіту.

Графітизувальні дії силіцію практично обмежуються 3,5 % його вмісту в чавуні. Змінюючи вміст силіцію в чавуні, можна регулювати в ньому співвідношення між зв'язуючим вуглецем і графітом. Чим більше силіцію, тим більше виділення графіту, а отже, тим менша міцність такого чавуну, нижча твердість — краще обробляється.

Силіцій сприяє деякому зниженню температури плавлення, покращує рідкотекучість.

Сірка є шкідливою домішкою. Вона сприяє відбілюванню чавуну; значно знижує його рідкотекучість та зумовлює крихкість і схильність до утворювання тріщин. Тому вміст сірки обмежується 0,08...0,12 %. Наявність сірки в чавуні затримує розпад цементиту, збільшує усадку, зумовлюючи таким чином утворення структури білого чавуну. При цьому в чавуні з'являються тверді плями, що погіршує його обробку різанням і механічні властивості.

Фосфор у невеликій кількості є корисною домішкою. Він майже не впливає на структуру чавуну, оскільки не прискорює і не сповільнює графітоутворення. Від наявності фосфору в твердому розчині твердість чавуну підвищується, а в'язкість значно знижується, що спричинює погіршення механічних властивостей чавуну. Фосфор поліпшує ливарні властивості: знижує температуру плавлення, збільшує рідкотекучість і сприяє якісному заповненню форми. Тому для лиття тонкостінних виробів беруть чавун із підвищеним вмістом фосфору (1,0... 1,25 %), а для звичайного лиття — 0,1...0,9 % Р.

Види чавунів, їх маркування і застосування

Залежно від хімічного складу і структури чавуни бувають: білі, сірі, ковкі, високоміцні і спеціальні.

Білий чавун має обмежене застосування через високу твердість і крихкість. У білому чавуні майже весь вуглець перебуває у хімічно зв'язаному стані — у вигляді цементиту Fe3C. Білий чавун дуже твердий, він майже не піддається обробці різанням і в машинобудуванні сільськогосподарської техніки не застосовується, його використовують для виробництва сталі, ковкого чавуну, тому називають Переробним.

Сірий чавун широко застосовують у машинобудуванні завдяки його високим ливарним, антифрикційним властивостям, задовільній обробці різанням, зносостійкості. Проте для нього характерні невисоке значення границі міцності при розтягуванні, дуже низька пластичність.

Границя його міцності при розтягуванні σΒ= 120...380 МПа, твердість 145...270 НВ, відносне видовження δ = 0,2...0,8 %.

Механічні властивості чавунів характеризуються їх структурою й умовами (у визначенні не тільки хімічного складу). Стандарти регламентують не хімічний склад чавунів, а їхні властивості, які й позначають у марках чавунів. Наприклад, марка СЧ 20 позначає сірий чавун з границею міцності при розтягуванні σв = 200 МПа. В машинобудуванні застосовують марки сірих чавунів СЧ 10...СЧ 45 (остання цифри «0» або «5»).

Сірі чавуни містять постійні домішки в такій кількості: 3,0...3,5 % вуглецю, 1,5...3,0 % силіцію, майже 0,8 % мангану, до 0,12 % сірки і 0,3...0,9% фосфору.

У сірих чавунах вуглець частково або повністю перебуває у вільному стані у формі пластинчастого графіту (рис. 2.24). За цього в зломі має сірий колір. Інколи в структурі чавуну крім графіту утримується ледебурит. Такий сіро-білий чавун називають Половинчастим. Основні його властивості: висока твердість, крихкість і низька міцність.

Отже, змінюючи вміст і співвідношення постійних домішок, можна в певних межах змінювати структуру чавуну і його властивості.

Залежно від розпаду цементиту одержують основи сірих чавунів, які складаються: з фериту, їх називають Феритними Чавунами; з фериту і перліту — Феритно-перлітними; З перліту — Перлітними. Найміцнішими вважають перлітні чавуни.

Із рис. , а видно, що структурою феритного чавуну є графіт (видовжені темні смуги), який утворився внаслідок сповільненого охолодження сплаву. У разі швидкого охолодження виділяється не графіт, а цементит. При подальшому швидкому охолодженні виділення графітного евтектоїда скорочується і вуглець, який залишився, переходить у цементит, у результаті чого утворюється перліт. У такому чавуні основою є ферит і перліт (рис. 2.25, б), тому його називають феритно-перлітним чавуном.

Рис. 2.25. Мікроструктура сірих чавунів: α — феритний; 6 — феритно-перлітнни; В — перлітний

При подальшому охолодженні аустеніт ( рис.) переходить у перліт, такий сплав називають не ρ літним чавуном (рис. в).

Сірий чавун широко застосовують в автотракторному і сільськогосподарському машинобудуванні для виробництва деталей методом лиття. З нього виготовляють станини металорізальних верстатів, блоки і гільзи автомобільних і тракторних двигунів.

Щоб вибрати марку чавуну для конкретної деталі, потрібно обумовити, в яких умовах працює ця деталь і порівняти технологічні та механічні властивості вибраної марки для забезпечення технічних умов роботи деталі в механізмі.

У довідниках, каталогах та іншій літературі наводять перелік чавунів (інших марок сплавів) для конкретних деталей. Наприклад, феритний сірий чавун марки СЧ 10 призначений для виготовлення слабко - і середньонавантажених деталей: кришок, фланців, маховиків, дисків зчеплення та ін. Феритно-перлітний чавун марки СЧ 20 застосовують для деталей, які працюють при підвищених статичних, динамічних навантаженнях: блоки, поршні та головки циліндрів. Перлітні сірі (модифіковані) чавуни СЧ ЗО, СЧ 40 мають високі механічні властивості. їх використовують для виготовлення гільз циліндрів, розподільних валів та ін.

Масову частку хімічних елементів у сірих чавунах (для відливання окремих деталей) наведено в табл.

Таблиця  Масова частка хімічних елементів у сірих чавунах, %

Деталь	Марка чавуну	С	Si	Μn	Cr	Ni	Си
Блок циліндрів дизельних двигунів	СЧ 20	3,2... 3,5	2,0... 2,4	0,6...0,8	0,3...0,45	0,15	0Д5..д4
Головка циліндрів дизельних двигунів	СЧ 25	3,2... 3,5	1,7...2,1	0,5...0,8	0,3...0,6	0,2...0,5	0,3...0,6
Гільза циліндрів	СЧ 30	3,1...3,3	2,2... 2,6	0,6...0,9	0,3...0,7	0,1...0,3	0,4...0,7
Розподільний вал	СЧ 40	3,0...3,7	1,9...2,2	0,6... 0,9	0,2...0,6	0,1... 1,3	—
Диски зчеплення і гальмівний барабан	СЧ 25	3,2... 3,4	1,6...2,1	0,5...0,9	0,3...0,4	0,2... 0,5	0,3... 0,6
Маховик двигунів	СЧ 20	3,2... 3,4	2,0... 2,3	0,5...0,8	0,3...0,4	0,1...0,15	—

Ковкий чавун має графітні вкраплення пластівчастої форми (рис.). Він міцніший і пластичніший від звичайного сірого чавуну, має вищу в'язкість.

Ковкий чавун — умовна назва, оскільки його не кують. Цей чавун одержують з білого чавуну термічною обробкою (спеціальним відпалюванням — томлінням).

Щоб отримати ковкий чавун використовують білі чавуни (приблизно) такого складу: 2,5...3,2% вуглецю, 0,6...0,9 силіцію, 0,3...0,4 мангану, 0,1...0,2 фосфору і не більш як 0,06...ОДО % Сірки.

До структури білого чавуну входять перліт, ледебурит і цементит. Під час томління цементит, що є в чавуні, розпадається на ферит і графіт або на перліт і графіт: у першому випадку чавун буде феритним, а в другому — перлітним. Залежно від ступеня графітизації ковкий чавун може бути і феритно-перлітним. Різного ступеня графітизації досягають зміною умов відпалювання. Відмінність структур чавунів зумовлює і відмінність їхніх властивостей. Наприклад, феритний ковкий чавун (рис.  о) порівняно з перлітним (рис. в) має меншу твердість і більшу пластичність.

Для одержання ковкого чавуну білий чавун нагрівають до 950... 1000 °С і після тривалого витримування охолоджують з малою швидкістю до кімнатної температури (рис. 2.28).

Щоб отримати ковкий феритний чавун, застосовують (див. Рис. 2.28) двостадійне відпалювання: першу стадію графітизації проводять за температури близько 1000 °С, тривалістю 30...40 год, другу стадію — при 740 °С, тривалістю 20...ЗО год.

Ковкий чавун має такий склад: 2,2...3,0% вуглецю; 0,7...L5 % силіцію; 0,2...0,6 % мангану; до 0,2 % фосфору і до 0,1 % сірки. Його виплавляють в електропечах. Злом чавуну, структурою якого є ферит і графіт, буде темним.

Рис.  Мікроструктура ковких чавунів: а — феритний; б — феритно-перлітний; в — перлітний

Ковкий чавун маркують літерами КЧ і цифрами, дві перші з яких позначають границю міцності при розтягуванні, а останні — відносне видовження. Наприклад, марка КЧ 30-6 означає: КЧ — ковкий чавун; 30 — границя міцності при розтягуванні (σв = 300 МП а) і 6 — відносне видовження (δ = 6 %).

Ковкий чавун широко використовують в сільськогосподарському машинобудуванні для виготовлення деталей, які в процесі роботи витримують ударні навантаження (зубчасті колеса, шестерні, ланки ланцюгів, зірочки, пальці різального апарата зернозбирального комбайна та ін.), деталей сівалок, зерноочисних машин, механізації тваринництва (корпуси водопровідних вентилів, кранів та ін.)

У табл.  наведено окремі деталі, які виготовлені з ковкого чавуну.

Таблиця  Деталі, виготовлені з ковкого чавуну

Марка чавуну	Назва деталі	Умови роботи
Автомобілебудування
КЧ 35-10 КЧ 37-12	Картер редуктора заднього моста, диференціала, керма; Маточини коліс, кронштейн двигуна, гальмівних колодок, накладки; балансири, котки, пробки та ін.	Складні, змінні, динамічні (ударні) навантаження
КЧ45-7 КЧ 50-5 КЧ55-4	Маточини коліс, гальмові барабани, кришки підшипників; колінчатого вала, картер розподільної коробки; Редуктори заднього моста, втулки та ін.	Статичні і динамічні навантаження, спрацювання
КЧ 60-3 КЧ65-3 КЧ70-2 КЧ 80-1,5	Шатуни, поршні, шестерні, колінчасті вали	Високі статичні і динамічні навантаження, спрацювання
Трактори і сільськогосподарські машини
КЧ 30-3 КЧЗЗ-8 КЧ 35-10 КЧ 45-7	Шестерні, муфти, храповики, важелі, зірочки; собачки, маточини, вилки карданних валів; котки, кронштейни, втулки; ланки ланцюгів	Згинальні, скручу-вальні, розтягу вальні, статичні і динамічні навантаження, спрацювання

Високоміцний чавун. Міцність чавуну залежить від кількості і форми вкраплення графіту. Додавання в рідкий сірий чавун 0,5 %

Магнію від маси чавуну сприяє утворенню дрібнозернистої структури. При цьому утворюються часточки графіту кулястої форми (рис. ), яка унеможливлює наявність гострих надрізів усередині металевої основи. Тому міцність, пластичність і в'язкість чавуну значно підвищуються.

Високоміцний чавун (як і сірий) поділяють на марки залежно від механічних властивостей, причому основним показником є границя міцності при розтягуванні. Механічні властивості залежать від структури металевої основи, яка може бути перлітною, феритно-перлітною і феритною (рис. 2.30). Ліпшою є структура, яка складається з перліту і графіту кулястої форми, обмежених невеликими (білими) кільцями фериту.

Рис. Мікроструктура високоміцних чавунів: α — феритний; б — феритно-перлітний; в — перлітний

Маркується високоміцний чавун (табл. 2.7) літерами ВЧ (високоміцний чавун) і цифрами, дві перші з яких показують границю міцності при розтягуванні, а останні — відносне видовження. Наприклад, марка ВЧ 800-2 означає, що чавун цієї марки має σ„ = 800 МПа, δ«2%.

Високоміцні чавуни є замінником литої і штампованої сталі. Тому з такого чавуну виготовляють відповідальні ші деталі машин і двигунів — гільзи циліндрів, колінчасті вали, деталі супортів металорізальних верстатів, лапки бурякозбирального комбайна та ін.

Чавун з вермикулярним графітом призначений для одержання виливків. Він має структуру графіту вермикулярної (червоподібної) форми з вкрапленням до 40 % Кулястого та 10 % пластинчастого графіту.

Для виготовлення виливків призначені такі марки чавуну: ЧВГ 300-4, ЧВГ 300-5, ЧВГ 400-4, ЧВГ 500-1.

Таблиця деталі, виготовлені З високоміцного чавуна.

Марка Чавуну	Твердість НВ	Назва деталі
ВЧ 600-3 ВЧ 700-2	192.. .277	Розподільний і колінчасті вали карбюраторних двигунів, малофорсованих дизелів, кришки і стакани підшипників, корпуси коробок передач, валів відбору потужності, ι Лапки бурякозбиральних комбайнів та ін.
ВЧ 450-10	140.. .255	Корпуси редукторів, барабани, кронштейни, гальмові колодки, корпуси підшипників комбайнів та ін.
ВЧ 500-7	153..245	Блок-картера, головки циліндрів, кришки корінних підшипників, картери маховиків, корпусу розподільників коробок передач, задніх мостів, муфт зчеплення, деталі турбін, насосів, водо поли в них агрегатів та ін.
ВЧ 400-15	140...202	Маточини коліс автомобілів, кронштейни, корпуси диференціалів автомобілів, редукторів комбайнів і важелі, корпуси підшипників, ковпаки культиваторів та ін.

 

Умовне позначення марки чавуну з вермикулярним графітом, наприклад ЧВГ 300-4, означає: Ч — чавун; ВГ — вермикулярний

Графіт; 300 — границя міцності при розтягуванні, виражена в мегапаскалях (300 МПа); 4 — відносне видовження, виражене у відсотках (4 %).

Леговані чавуни зі спеціальними властивостями. До цих чавунів належать: антифрикційні, які забезпечують низький коефіцієнт тертя; жаростійкі, що мають підвищену стійкість до окиснення і корозії.

Щоб одержати чавуни зі спеціальними властивостями, їх легують нікелем, хромом, молібденом, титаном, алюмінієм і міддю. Відповідно змінюються структура і властивості чавунів.

Антифрикційні чавуни характеризуються пер літною структурою металевої основи, наявністю великої кількості вкраплень графіту. При цьому перлітна основа утворює достатню міцність деталі, фосфідна евтектика забезпечує підвищення зносостійкості, а вбирання і утримування мастила відбувається у місцях розміщення графіту.

Більшість антифрикційних чавунів містять у невеликій кількості хром, титан, мідь та інші елементи.

Антифрикційні чавуни маркують так: АЧС-1, АЧС-2, АЧС-4, АЧС-5, АЧС-6, АЧК-1, АЧК-2, АЧВ-1, АЧВ-2, що означає: АЧС — антифрикційний чавун сірий; АЧК — антифрикційний чавун ковкий; АЧВ — антифрикційний чавун високоміцний; число в кінці марки означає порядковий номер. Порядковий номер вказує на хімічний склад антифрикційного чавуну: АЧС-1 (3,2...3,6 % С; 1,3...2 % Si; 0,6...1,2% Μn; 0,2...0,5% Cr; 0,8... 1,6 % Си; 0,15...0,4 % Ρ; 0,12% S); АЧС-2 (3,0..3,8% С; 1,4..2,2 Si; 0,3... 1,0 Μn; 0,2...0,5% Cr; 0,2...0,5% Νί; 0,03...0,1% Ті; 0,2.0,5% Си; 0,151...0,40% Ρ; 0 12 % S); АЧК-2 (2 6 30% С; 08 13% Si; 0 2 06% Μn; до 0,25 % Ρ; 0,12% S); АЧВ-1 (2,8...3,5% С; 1,8...2,7% Si; 0,6...1,2% Μn; 0,7 % Си; 0,03...0,08 % Mg; 0,20 % Ρ; 0,03 % S).

Із антифрикційних чавунів виготовляють деталі тертя (втулки, вкладиші, підшипники ковзання, ролики, ущільнення та ін.).

Жаростійкі чавуни.

Леговані чавуни з відповідним вмістом алюмінію, силіцію, хрому, нікелю мають підвищену жаростійкість. Крім того, вони забезпечують стабільність структури при нагріванні.

Жаростійкі чавуни маркують так: ЖЧХ-2,5 — жаростійкий хромовий чавун з вмістом 2,5 % Сг; ЖЧЮХ — жаростійкий алюмінієво-хромовий чавун з вмістом 1 % А1 і 1 % Сг; ЖЧЮ6С5 — жаростійкий алюмінієво-силіцієвий чавун з вмістом 6 % А1 і 5 % С.

Такі чавуни застосовують для виготовлення деталей прес-форм, елементів плунжерних пар машин для лиття під тиском, штампів гарячого деформування та ін.