Вплив різних факторів на структуру і механічні властивості чавуну
На процес первинної і вторинної кристалізації чавуну впливають хімічний склад, швидкість охолодження виливки, стан рідкого чавуну і термічна обробка. Отже, спільне вплив цих факторів визначає і кінцеву структуру чавуну і його механічні властивості.
Хімічний склад. За хімічним складом чавуни класифікують на прості і леговані. Прості чавуни містять 2,4-3,6% С, 0,5-3,0% Si; 0,2- 1,0% Мп; 0,04-0,8% Р; 0,02-0,20% S. Леговані чавуни містять більше зазначеної кількості Si і Мп і різну кількість спеціальних елементів.
Особливо важливим є вплив елементів на графітизацію в чавуні.
Різні елементи можна розташувати в ряд, в залежності від позитивного чи негативного впливу їх на графітизацію. Елементи, розташовані в середині ряду, мають незначний вплив, і їх можна вважати нейтральними. А1, С, Si, Ti, Ni, Си, Р, З, S, Cr, V, Ті, Mg, Sr, В
Мал. 1. Вертикальний розріз стабільної потрійний діаграми стану Fe-C-Si при 2% Si
Мал. 2. Структурні діаграми для чавуну: а - Маурера; б - Н. Г. Гіршовіча
В основу побудови діаграм покладені різні рівняння граничних ліній. При вмісті вуглецю, відповідних змісту в реальних виливок (2,4-3,6% С), дані обох, діаграм майже збігаються.
З діаграм слід, що регулюванням вмісту вуглецю і кремнію в чавуні можна отримати всю гаму структур чавуну - від білого до сірого феритного.
Мал. 3. Вплив С, Si і вуглецевого еквівалента (С + 0,3Si) на графітизацію і структуру металевої основи чавуну: 1Г - довжина графітових включень; Пд - відстань між пластинками перліту
При деяких умовах нижня межа вмісту вуглецю залежить від освіти междендрітного точкового графіту, що негативно впливає на механічні властивості чавуну.
У нізкомарганцовістих чавунах сірка, присутня у вигляді сульфідів, багатих на залізо, або у вигляді евтектики, сильно гальмує графітизацію. При цьому знижуються механічні властивості через утворення на кордонах зерен тендітної евтектики.
Фосфор подібно кремнію зменшує розчинність вуглецю в рідкому чавуні і зрушує евтектичну точку вліво. Але на відміну від кремнію фосфор знижує температуру евтектичного перетворення.
У твердому чавуні розчинність фосфору мала (при 3,5% С вона складає приблизно 0,3%). Надмірна кількість виділяється у вигляді самостійної структурної складової - потрійний фосфідную евтектики FegP-Fe3C-Fe, що плавиться при 953 ° С.
Легуючі елементи. Для підвищення механічних властивостей чавуну, а також отримання чавунів зі спеціальними властивостями використовують легування різними елементами. Найчастіше для цієї мети застосовують хром, нікель, молібден, мідь, алюміній, титан, ванадій1. Вплив цих елементів на кристалізацію і структуру чавуну різному і багато в чому залежить від характеру їх розподілу між структурними складовими чавуну, а також їх впливу на основні критичні точки діаграми Fe-C.
При надмірному вмісті елементи утворюють спеціальні фази-карбіду (наприклад, Сг7С3 і V4C3). Завдяки утворенню міцних карбідів елементи цієї групи гальмують графітизацію і сприяють роздрібнення графітових включень.
Елементи третьої групи (Ti і ін.) Внаслідок високої хімічної активності практично цілком витрачаються на освіту карбідів, нітридів, оксидів і тільки в невеликій кількості розчиняються в фериті і цементиті. Тугоплавкі включення, що утворюються ще в рідкому розплаві, можуть служити центрами кристалізації графіту. Тому титан, який є карбідо-утворюючим елементом, в той же час сприяє графітизації і роздрібнення графітових включень.
Всі зазначені елементи в процесі вторинної кристалізації гальмують розпад аустеніту. При цьому підвищується ступінь переохолодження при евтектоїдних перетворенні, що сприяє отриманню більш дисперсного перліту, навіть при відносно повільному охолодженні виливки.
Швидкість охолодження в інтервалі евтек-тоідного перетворення визначає співвідношення фериту і перліту, а також ступінь дисперсності останнього.
Розглянемо зв'язок між структурою чавуну і товщиною виливки, в найбільшою мірою впливає на швидкість охолодження, по діаграмі Н. Г. Гіршовіча. Позначення структур ті ж, що і на рис. 88, але на відміну від представлених на ній діаграм, враховується вплив наведеної товщини виливки. Лінії, що показують величину вуглецевого еквівалента.
Мал. 3. Структурна діаграма в залежності від складу чавуну і наведеної товщини стінки. Се - лінії постійного вуглецевого еквівалента а - коефіцієнт однорідності. Чим більше величина а, тим більше відрізняються властивості в різних перетинах виливка.
Рідкий стан. Поряд з хімічним складом чавуну I швидкістю його охолодження на кристалізацію чавуну впливають Фізичні властивості рідкого розплаву (в'язкість, поверхневий п міжфазне натяг), а також наявність різних включень. Цей комплекс, що характеризує ліквідність чавуну, залежить від чинників, до яких відноситься перегрів, витримка рідкого чавуну при температурі перегріву і модифікування.
Перегрів і витримка рідкого чавуну. Експериментально встановлено, що підвищення температури перегріву рідкого чавуну в практичних межах до 1450-1500 ° С сприяє збільшенню кількості зв'язаного вуглецю. Так само діє витримка чавуну в рідкому стані.
Модифікування. Різні модифікатори роблять різний вплив на умови кристалізації. Одна група модифікаторів в основному впливає на ступінь графіті-зації, при цьому графіт зберігає пластинчатую форму. Інша група впливає на умови росту графітового включення і сприяє його кристалізації в кулястої формі.
З модифікаторів першої групи найбільш поширені Графітізуючі добавки: 75% -ний феросиліцій і силико-кальцій (28% Са, 62% Si, 1,5% Al), також використовуються модифікатори більш складного складу.
Таким чином, зменшення вмісту вуглецю і кремнію перегрів чавуну, підвищення швидкості охолодження до певного граничного значення сприяє поліпшенню механічних
властивостей чавуну. Ця межа обумовлений виділенням структурносвободно-го цементиту і междендрітного графіту, що призводить до зниження механічних властивостей.
Графітізуючі модифікування дозволяє використовувати позитивний вплив зазначених факторів у більш широкому інтервалі їх значень без відбілювання або появи междендрітного графіту. При цьому допустиме значення цих факторів зсувається вправо, а максимум механічних властивостей досягає більш високих значень.
Термічна обробка. Залежно від температури і методів нагрівання виливків, витримки і умов їх охолодження термічна обробка чавуну може забезпечувати зняття залишкових напруг, графітизацію або підвищення твердості і механічних властивостей.
Зняття залишкових напружень. Для цієї мети застосовують низькотемпературний отжиг при 550-650 ° С. Структура і в більшості випадків механічні властивості не змінюються. Після короткочасної витримки (3-4 ч) при цих температурах виливки повільно охолоджуються разом з піччю зі швидкістю 8-30 град / ч до 100-150 ° С. Чим менше швидкість охолодження, тим повніше зняття залишкових напруг.
Графітізірующій отжиг. Мета цього відпалу - стабілізація структури - розкладання структурносвободного цементиту або цементиту в перліті (феррітізація). На практиці застосовують одностадійний або двохстадійний отжиг при температурах надкрітіческой або підкритичній області. Для зниження твердості і поліпшення оброблюваності сірого чавуну застосовують одностадійний отжиг. При цьому частково або повністю розкладається перліт і погіршуються механічні властивості.
Мал. 91. Вплив складу і технологічних факторів на механічні властивості чавуну
Нормалізація, гарт, відпустка. Нормалізація і гарт чавуну сприяють підвищенню його твердості (при цьому зростає зносостійкість) і механічних властивостей. Виливки нагрівають до температур вище критичних і після витримки охолоджують з більшою або меншою швидкістю. При нормалізації охолодження проводять поза печі - на повітрі. При загартуванню виливки занурюють в охолоджуючу рідину (воду, масло і ін.).
При нормалізації нагрів здійснюють до 900-1000 ° С і витримують протягом часу, що забезпечує часткове розчинення графіту і насичення аустеніту вуглецем. Більш багатий вуглецем аустенит при відносно швидкому охолодженні і температурах евтектоїдних перетворення розпадається без виділення фериту. В цьому випадку виходять більш дисперсні пер-літообразние структури, що викликає підвищення твердості і механічних властивостей.
В результаті термічної обробки чавуну видозмінюється тільки основна металева маса. Форма графіту залишається незмінною і може лише кілька зменшитися його кількість. Тому найбільший ефект досягається при загартуванню чавуну з перлітною матрицею і мелкопластінчатим графітом або графітом кулястої форми.
Поверхневе загартування. Внаслідок низької пластичності чавуну при об'ємної загартуванню в виливках можуть утворитися тріщини.