Структура і властивості чавунів. Класифікація, маркування та застосування

Залізовуглецеві сплави із вмістом вуглецю більше 2,14 %, які після первинної кристалізації мають двофазний стан (аустеніт і цементит або аустеніт і графіт), називають чавунами. Чавун відрізняється від сталі не лише більшим вмістом вуглецю, а й своїми технологічними властивостями, наприклад кращими ливарними властивостями (завдяки евтектичному перетворенню) та гіршою здатністю до пластичної деформації (у зв'язку з наявністю крихких вкраплень). Крім того, чавун легший (сере­дня густина 7,2 т/м3) і дешевший від сталі.

Залежно від форми вуглецю чавуни поділяють на білі (матово-білий колір у зламі) та графітизовані (сірий колір у зламі). Білими називають чавуни, у яких весь вуглець перебуває у вигляді цементиту. Фазові й структурні перетворення в них описуються діаграмою стану сплавів "залізо–цементит" (див. рис. 8.15). За вмістом вуглецю розрізняють доевтектичні (менше 4,3 % вуглецю), евтектичні (4,3 %) та заевтектичні (більше 4,3 %) чавуни. Завдяки великому вмісту цементиту білі чавуни мають високу твердість (4500...5500 НВ) і крихкість, використовуються для виготовлення зносостійких деталей, які не потребують механічної обробки (наприклад, лопаток дробометальних машин, куль і броньованих плит млинів, елементів конструкцій пневмотранспорту, деталей насосів для абразивного середовища тощо). Структуру доевтектичних чавунів складають перліт, вторинний цементит і ледебурит, структуру евтектичного – чистий ледебурит, а заевтектичні, крім ледебуриту, містять голчасті вкраплення первинного цементиту (рис. 8.21). Структуру білого чавуну можуть мати також у поверхневому шарі графітизовані чавуни, їх називають вибіленими і використовують для виготовлення прокатних валків, плугових лемешів, гальмівних колодок та інших деталей, що працюють в умовах стирання.

 

Рис. 8.21. Мікроструктури білих чавунів:

а – доевтектичного; б – евтектичного; в– заевтектичного

 

У графітизованих чавунах до 0,8 % вуглецю може перебувати у вигляді цементиту (в перліті), а решта – у вільному стані у вигляді графіту. Така структура забезпечує меншу твердість, добру оброблюваність різанням, а також високі антифрикційні властивості, водночас зменшує міцність і пластичність. Фазові й структурні перетворення в них описуються діаграмою стану сплавів "залізо–вуглець" (див. рис. 8.15). Механічні властивості графітизованих чавунів пояснюються умовами утворення графітних вкраплень і їх формою.

Процес утворення графітних вкраплень — графітизація — пов'язаний з багатьма факторами. По-перше, слід нагадати, що графіт має відмінну від заліза гексагональну кристалічну ґратку, а кристалічна ґратка цементиту базується на ОЦК-ґратці заліза. Цементит ближчий до аустеніту, ніж графіт, і за хімічним складом (аустеніт – 2,14 % вуглецю, цементит – 6,69 %, а графіт – 100 %). Тому утворення цементиту як з рідини, так і з аустеніту відбувається легше, не потрібна значна дифузія вуглецю, тобто цей процес кінетично вигідніший. По-друге, графіт – природно-стійка фаза (компонент) і має менший запас вільної енергії, ніж менш стійкий карбід, тобто термодинамічний фактор сприятиме утворенню не цементиту, а графіту.

Утворення графіту з рідини й аустеніту відбувається в результаті охолодження в дуже вузькому інтервалі температур (6…11 °С) між лініями евтектичних та евтектоїдних перетворень, тобто в умовах малих переохолоджень при невеликих швидкостях охолодження. Це пояснюється великою роботою утворення зародка графіту і значною дифузією атомів вуглецю до місця утворення зародка, а атомів заліза – від цього місця. Утворення зародків було б не дуже частим явищем, якби рідкий чавун був ідеально чистою речовиною. Насправді в рідкому чавуні містяться дрібні частинки різних вкраплень і домішок, у тому числі й графіту. На цих частинках і починають осідати атоми вуглецю, створюючи кристали графіту. У цьому випадку робота утворення зародка графіту може бути порівнянною з роботою утворення зародка цементиту й утворення графіту можливе при температурах нижче 1147 °С.

Отже, нагрівання чавуну значно вище від температури плавлення буде приводити до розчинення ймовірних центрів кристалізації в рідині і сповільнювати графітизацію, а введення в рідкий чавун різноманітних домішок сприятиме збільшенню числа центрів кристалізації вуглецю і прискорюватиме графітизацію.

Аналогічним буде і механізм виділення графіту з аустеніту в інтервалі температур 738...727 °С і нижчих, оскільки вуглець осідатиме на вкрапленнях графіту, які утворились за вищих температур.

Крім викладеного механізму утворення графіту безпосередньо під час кристалізації, можливий і інший, пов'язаний з нестійкістю цементиту. Його розпад можливий при певних температурах з утворенням аустеніту і графіту та фериту і графіту. Для здійснення такого розпаду потрібні дифузія вуглецю до центрів кристалізації графіту і самодифузія атомів заліза з тих місць, де зосереджується графіт. Цей практично неможливий при кімнатній температурі процес різко прискорюється з підвищенням температури. Схема процесу зображена на рис. 8.22. У зоні стійкості аустеніту цементит при тривалій витримці буде розпадатися на аустеніт і графіт з утво­ренням після охолодження зерен перліту та графіту. Розпад перлітного цементиту нижче лінії РSK (727 °С) закінчиться утворенням структури фериту і графіту. Незакінчені процеси спричинять утворення змішаних структур: перліту, цементиту і графіту або перліту, фериту і графіту.

 

Рис. 8.22. Схема утворення структур при графітизації чавуну

Звичайний промисловий чавун не є чисто залізовуглецевим сплавом, бо містить ті ж самі домішки, що й вуглецева сталь, тобто марганець, кремній, сірку та фосфор, але в більших кількостях. Ці домішки суттєво впливають на умови графітизації, а отже і на структуру та властивості.

Вуглець. Збільшення вмісту вуглецю сприяє зниженню температури плавлення, підвищенню рідкоплинності й доброму заповненню форми під час виготовлення деталей ливарним способом, а також збільшує кількість вільного вуглецю (графіту) в чавуні, тобто зменшує його механічні властивості. Тому практично застосовувані чавуни містять від 2,5 до 4,0 % вуглецю: нижня межа – для товстостінних виливків, а верхня – для тонкостінних.

Кремній дуже сприяє графітизації. Розчиняючись у залізі, він не тільки створює місця для появи зародків графіту (атомний діаметр менший, ніж у заліза), а й робить можливим розпад утворених кристалів цементиту. Вміст кремнію може становити 0,5...4,5 %.

Марганець збільшує схильність чавуну до вибілювання, тобто до утворення цементиту. Домішки 0,4...0,6 % Мn сприяють зв'язуванню сірки в МnS і дещо поліпшують механічні властивості, особливо в тонкостінних виливках. Збільшення вмісту марганцю потребує збільшення вмісту кремнію.

Сірка – шкідлива домішка, яка сприяє вибілюванню чавуну (в 5…6 разів більше, ніж марганець). Вона погіршує механічні і ливарні властивості чавуну, збільшує усадку і підвищує схильність до утворення тріщин. Для дрібних деталей вміст сірки не перевищує 0,08 %, для масивніших –0,10...0,12 %.

Фосфор у чавуні в невеликих кількостях є корисною домішкою. До 0,03 % фосфору розчиняється у фериті. При більших концентраціях утворюється фосфідна евтектика з температурою плавлення 970 °С, що збільшує рідкоплинність сплаву, але підвищує твердість і крихкість. При вмісті фосфору близько 1 % (художнє чавунне литво) евтектика займає майже 10 % об'єму сплаву, при вмісті фосфору до 0,7 % вона спостерігається у вигляді дрібних вкраплень і підвищує пружні властивості та зносостійкість. У навантажених виливках вміст фосфору не перевищує 0,3 %.

Водень – шкідлива домішка, яка спричиняє вибілювання чавуну. При відливанні у вологу форму поверхневий шар металу деталі може отримати структуру білого чавуну. Для зменшення вмісту водню слід зменшувати вологість повітря, яке вдувається у плавильну піч.

Крім постійних домішок у чавун можуть потрапляти з руд або вводитися спеціально інші хімічні елементи: хром, нікель, мідь, алюміній, титан, молібден. Такі чавуни називають легованими. Майже всі легуючі елементи впливають на умови графітизації, кількість і розміри графітних вкраплень, структуру металевої основи, а отже і на властивості чавуну.

Хром утворює з вуглецем карбіди, збільшує твердість, підвищує жаро-, корозіє- та зносостійкість, але погіршує оброблюваність різанням.

Нікель сприяє графітизації, подрібнює зерно і збільшує зносостійкість. При вмісті понад 13 % у поєднанні з хромом і міддю забезпечує отримання зносо- та корозієстійкої структури (нірезист).

Алюміній і мідь сприяють графітизації, підвищують міцність і зносостійкість.

Титан і молібден подрібнюють зерно, підвищують зносостійкість, але сприяють вибілюванню. В оптимальній пропорції з нікелем забезпечують утворення перлітної структури.

Таким чином, ступінь графітизації в чавуні зростає зі збільшенням кількості вуглецю та кремнію. Аналогічно, але менш ефективно впливають нікель, мідь та алюміній. Вибілювальними домішками є марганець, хром, сірка, молібден і титан. Основними ж елементами, від яких залежить структура металевої основи графітизованого при первинній кристалізації чавуну, є вуглець і кремній.

Крім хімічного складу, структура чавуну і його властивості залежать від технологічних факторів і, в першу чергу, від швидкості охолодження. При зменшенні швидкості охолодження збільшується кількість графіту, при збільшенні – кількість цементиту. Вибираючи швидкість охолодження, до уваги беруть товщину стінки виливка: чим товстіша стінка, тим менша швидкість охолодження і тим повніше пройде процес графітизації. Розміри графітних вкраплень регулюють певним співвідношенням вуглецю, кремнію і марганцю. Якщо є потреба отримати в поверхневому шарі певної деталі високу твердість, у цьому місці ливарної форми встановлюють металеві вставки-холодильники.

Про вплив вуглецю та кремнію на структуру чавуну свідчать структурні діаграми. Залежно від заданої товщини стінки, швидкості охолодження та сумарного вмісту вуглецю і кремнію структура може бути (рис. 8.23) ледебуритно-перлітною (зона І), перлітно-графітною (зона II) або феритно-графітною (зона III). Знайшовши для потрібної структури сумарний вміст кремнію і вуглецю з іншої діаграми (рис. 8.24), для конкретної товщини стінки вибирають потрібний вміст вуглецю та кремнію.

 

Рис. 8.23. Залежність структури Рис. 8.24. Зв'язок структури чавунів від вмісту кремнію чавуну з товщиною s стінки

деталі

та вуглецю та хімічним складом

 

До технологічних факторів впливу на розміри та форму вкраплень графіту належить також процес модифікування, що полягає у створенні центрів кристалізації або у впливі на ріст кристалів. Модифікування здійснюють додаванням у розплавлений чавун спеціальних речовин – модифікаторів – у кількості 0,1...0,8 %, які або стають центрами кристалізації, або осідають на вже утворених кристалах і сповільнюють їх ріст. Модифікують переважно чавун з низьким вмістом вуглецю і кремнію, який орієнтовно визначають за залежністю С + Sі = 5,5– lgδ, де δ – товщина стінки виливка в міліметрах. Для розчинення модифікатора температура чавуну повинна бути вище 1350 °С. Модифікатор уводять у вигляді частинок розміром 2...5 мм для ковшів місткістю до 50 кг і 5...10 мм для стокілограмових ковшів. Після модифікування чавун перемішують і витримують не більше 15 хв, оскільки може відбутися демодифікування (модифікатор розчиниться повністю). Графітизацію поліпшують такі модифікатори, як силікокальцій, високопроцентний феросиліцій, графіт сріблястий та лігатури (силікокальцій–титан, кремній–марганець–цирконій та ін.). У результаті подрібнення вкраплень графіту зростають механічні властивості і майже вдвічі зносостійкість чавуну.

Для надання вкрапленням графіту кулястої форми їх модифікують магнієм або лігатурами (магній–нікель, мідь–магній, магній–нікель–рідкоземельні метали тощо). Кількість модифікатора становить 0,3...2,5 % від маси рідкого чавуну. Використання лігатур і комплексних модифікаторів запобігає вибризкуванню металу з ковша від піроефекту – спалахування магнію. Вплив магнію (0,02...0,08 %) на графітизацію полягає в утворенні мікробульбашок газоподібного магнію (кипить при 1100 °С), в яких зароджуються і ростуть кульки графіту. Механічні властивості таких сплавів, які мають невелику пластичність і добрі антифрикційні властивості, наближаються до властивостей сталей.

Крім поділу білих чавунів за вмістом вуглецю, їх класифікують також за кінцевою структурою, за вмістом домішок та за особливими властивостями.

За кінцевою структурою, що утворюється після перетворень переохолодженого аустеніту, білі чавуни поділяють на перлітні, аустенітні та мартенситні (пересичений твердий розчин вуглецю в α-залізі); за вмістом домішок – нелеговані, середньолеговані, високохромисті та ванадієві; за особливими властивостями – зносостійкі, корозієстійкі та жаростійкі.

У марках зносостійких чавунів згідно з ГОСТ 1215–79 записують російські літери ИЧ, а також літери X, Н, М, Т, Д, що вказують на наявність певних елементів (Х – хрому, Н – нікелю, М – молібдену, Т – титану, Д – міді), і числа після них, що показують вміст цих елементів у відсотках (ИЧХ47Д, ИЧХ28Н2, ИЧХ28Н2М2 та ін.). Особливі властивості досягаються при певному вмісті легуючих елементів: 12...24 % хрому – зносостійкість; 34 % хрому – жаростійкість та корозійна стійкість у кислотах, лугах і морській воді; 3...5 % нікелю та 0,3...1,5 % молібдену – підвищена здатність до зміцнення термічною обробкою.

Графітизовані чавуни, залежно від форми графітних вкраплень, поділяють на сірі, високоміцні та ковкі.

Сірим називають чавун, у якому до 0,8 % вуглецю може перебувати у вигляді цементиту (в перліті), а решта – у вільному стані у вигляді пластинчастого або вермикулярного (вермішелеподібного) графіту.

За структурою металевої основи (рис. 8.25) сірі чавуни поділяють на перлітні (структура перліту і графіту), феритно-перлітні (ферит, перліт і графіт) та феритні (ферит і графіт). Механічні властивості сірого чавуну значно залежать від властивостей металевої основи, але найбільше від кількості, форми та розмірів графітних вкраплень. Міцність, твердість і зносостійкість таких чавунів зростають при збільшенні кількості перліту. Вирішальна роль графіту зумовлена тим, що його пластинки діють як надрізи або тріщини, пронизують металеву основу і послаблюють її. З цієї причини сірі чавуни погано протидіють розтягу, мають низькі міцність і пластичність. Відносне подовження при розтягу незалежно від структури основи становить 0,2...0,5 % для пластинчастого і 1,0...1,5 % для вермикулярного графітів. Твердість сірих чавунів зумовлюється структурою металевої основи і мало залежить від форми графітних вкраплень. Наприклад, феритні чавуни мають твердість 1500...1800 НВ, феритно-перлітні – 1800...2500 НВ, а перлітні – 2500...2900 НВ. За ГОСТ 1412–79 в марках сірих чавунів записують великі літери СЧ і двоцифрове число, яке показує границю міцності при розтягу 10 –1 МПа (наприклад, СЧ12, СЧ45).

 


 

Рис. 8.25. Мікроструктури сірих чавунів, ´300: а– перлітного;

б – феритно-перлітного; в – феритногo

 

Структуру сірого чавуну отримують найчастіше при повільному охолодженні в піщано-глинистій ливарній формі. Маса виливків може становити від кількох грамів (поршневі кільця) до 100 і більше тонн (станини верстатів). При виборі марки чавуну для конкретних умов роботи беруть до уваги як механічні, так і технологічні властивості. Феритні сірі чавуни СЧ10, СЧ15, СЧ18 призначені для мало- і середньонавантажених деталей: кришок, фланців, маховиків, корпусів редукторів і підшипників, супортів, гальмівних барабанів, дисків зчеплення тощо. Феритно-перлітні сірі чавуни СЧ20, СЧ21, СЧ25 використовуються для деталей, які працюють при підвищених статичних і динамічних навантаженнях: блоків циліндрів, картерів двигунів, поршнів, станин верстатів, зубчастих коліс тощо. Перлітні сірі модифіковані чавуни СЧ30, СЧ35, СЧ40, СЧ45 мають найвищі механічні властивості завдяки дрібним відокремленим графітним вкрапленням. Модифіковані чавуни використовуються для деталей, які працюють при великих навантаженнях або у важких умовах стирання (зубчасті колеса, гільзи блоків циліндрів, шпинделі, розподільні вали і т. п.). Ці чавуни мають найвищу герметичність, тому з них виготовляють також корпуси насосів і компресорів, арматуру гальмівної пневматики та гідроприводів. Для деталей, які працюють при підвищених температурах, сірі чавуни легують. Жаростійкості сприяють домішки хрому та алюмінію, жароміцності – хрому, нікелю й молібдену. Немагнітні хромонікелеві чавуни з аустенітною структурою використовують для виготовлення стояків магнітів, кришок вимикачів тощо. З метою підвищення зносостійкості гільз циліндрів, розподільних валів та інших деталей їх робочі поверхні піддають зміцнювальній термічній обробці, а також насичують азотом.

Високоміцними називають чавуни, в яких графітні вкраплення мають кулясту форму. Їх одержують шляхом модифікування магнієм або лігатурами в ковші перед розливанням у форми. Хімічний склад цих чавунів, %: вуглець – 3,0...3,6; силіцій – 1,1...2,9; марганець – 0,3...0,7; сірка – до 0,02; фосфор – до 0,1. За структурою високоміцні чавуни бувають феритними та перлітними. У феритних чавунах (структура фериту і кулястого графіту) допускається до 20 % перліту. У перлітних чавунах може бути до 20 % фериту (рис. 8.26). Домішки легуючих елементів сприяють утворенню аустенітної структури, яка характеризується високою жаро- та корозієстійкістю.

 

 

Рис. 8.26. Мікроструктура перлітного високоміцного чавуну, ´300

Кулястий графіт є слабким концентратором напружень, тому високоміцний чавун має більші, ніж сірий, міцність і пластичність. Оскільки відсутні гострі надрізи, властиві структурі сірого чавуну, доцільною є зміна структури металевої основи термічною обробкою. Принципово можливі всі види зміцнювальних і знеміцнювальних операцій.

У марках високоміцних чавунів за ДСТУ 3925-99 записують великі літери ВЧ і числа, перше з яких показує границю міцності при розтягу, МПа, а друге – відносне подовження, %; наприклад, ВЧ600-2. Їх використовують у різних галузях техніки (авто- і тракторобудуванні, сільськогосподарському машинобудуванні, металургії та будівництві), ефективно замінюючи ними сталь у багатьох деталях і конструкціях. З них виготовляють виливниці для розливання сталі (в 1,5...2,5 разу стійкіші, ніж із сірого чавуну), прокатні валки, кокілі, станини потужних молотів і пресів, штампи для гнуття і холодної висадки, колінчасті та розподільні вали, поршні, поршневі кільця, циліндри, шестерні, зірочки та інші деталі.

Графітизований чавун, в якому графіт має пластівчасту форму, називають ковким (рис. 8.27). Така форма графіту, на відміну від пластинчастого, менше знижує механічні властивості металевої основи, тому ковкі чавуни є міцнішими та пластичнішими від сірих (однак їх не можна кувати). Структури ковких чавунів (ферит і графіт, перліт і графіт) та змішану (перліт, ферит і графіт) отримують при довготривалому відпалюванні доевтектичних білих чавунів.

 


 

Рис. 8.27. Мікроструктури ковких чавунів, ´300:

а – феритна; б – перлітно-феритна

 

Виливки з білого чавуну, які відпалюватимуться для зміни на ковкий чавун, повинні бути тонкостінними (до 50 мм), без вкраплень пластинчастого графіту. З цієї ж причини вихідний білий чавун має вузькі інтервали вмісту хімічних елементів: 2,4...2,9 % С; 1,0...1,6 % Sі; 0,2...1,0 % Мn; до 0,2 % Sі; до 0,18 % Р. Розплавити такий чавун у вагранці не можна, тому використовують спеціальні печі, що збільшує вартість виробів. Але основні витрати при виготовленні ковких чавунів ідуть на довготривалий відпал. Його застосовують для отримання феритної структури. Процес відпалу полягає в повільному (20...25 год) нагріванні (рис. 8.28, режим 1) деталей, вкладених у металеві ящики і засипаних піском або сталевою стружкою для захисту від окиснення, до температури 950...1000 °С. Під час витримки при цій температурі протягом 10...15 год відбувається перша стадія графітизації, яка полягає в розпаді евтектичного та вторинного цементитів з утворенням аустеніту й вільного вуглецю – графіту. Далі температура повільно знижується та відбувається розпад утворюваного з аустеніту вторинного цементиту. Друга стадія графітизації проводиться або при дуже повільному охолодженні в евтектоїдному інтервалі температур (див. рис. 8.28, режим 2), або при тривалій (25...30 год) витримці при температури 720...740 °С. При цьому розпадається цементит перліту та формується структура фериту і графіту. Якщо швидкість охолодження деталей при температурах нижче 727 °С була недостатньо малою або була замалою витримка на стадії графітизації, можливий неповний розпад перлітного цементиту і чавун матиме феритно-перлітну структуру. Перлітний ковкий чавун отримують при відпалі (див. рис. 8.28, режим 3). У цьому випадку збільшують температуру нагрівання до 1000 °С та тривалість першої стадії графітизації й проводять безперервне охолодження до температури 20 °С. Перлітний цементит у таких умовах практично не розпадається, і чавун матиме в структурі перліт і графіт. Релаксація ливарних напружень, компактна форма і відокремленість графітних вкраплень зумовлюють високі механічні властивості ковких чавунів. Феритні чавуни мають підвищену пластичність, а перлітні – високі міцність і твердість.

У маркуванні ковких чавунів використали позначення, властиві іншим чавунам. Літери КЧ означають ковкий чавун, перше число – границю міцності 10–1 МПа, а останнє (через дефіс) – відносне подовження, %; наприклад, КЧ30-6, КЧ37-12, КЧ60-3, КЧ80-1,5.

 

Рис. 8.28. Схема відпалу білого чавуну на ковкий

 

Ковкі чавуни використовують в автотракторному та сільськогосподарському машинобудуванні, в будівництві та інших галузях. З них виготовляють колінчасті та розподільні вали, поршні дизелів, коромисла клапанів, деталі механізму зчеплення, картери головної передачі, корпуси диференціала та рульового механізму, маточини коліс, гальмівні колодки, арматурні деталі для трубопроводів (муфти, трійники, коліна) та інші деталі. Основний недолік ковких чавунів – висока вартість, тому цей матеріал використовують лише для тонкостінних деталей, в яких отримати структуру високоміцного чавуну при виготовленні ливарним способом не вдається.

Особливих властивостей графітизованим чавунам, як і білим, надають домішки певних хімічних елементів.

Низький коефіцієнт тертя, висока зносостійкість перлітної структури металевої основи та мінімальна схильність до задирок графітизованих чавунів дають змогу використовувати їх для виготовлення антифрикційних деталей – втулок паливних насосів, втулок клапанів, поршневих кілець автомобільних двигунів тощо. Склад і властивості антифрикційних сірих (АЧС), антифрикційних ковких (АЧК) та високоміцних (АЧВ) чавунів регламентуються ГОСТ 1585–85. Наприклад, чавуни АЧС-1, АЧС-2 та АЧС-4 (твердість 1800...2410 НВ) призначені для роботи з термозміцненими валами, АЧС-5 (1800...2900 НВ) – для роботи з такими самими валами в дуже навантажених вузлах. Для АЧС-3 (1600...1900 НВ) твердість вала може бути довільною, а АЧС-6 (1000...1200 НВ) може працювати з "сирим" (термічно незміцненим) валом при температурах до 300 °С.

При підвищених швидкостях ковзання і високих тисках використовують чавуни АЧВ зі щільною перлітною структурою і незначними вкрапленнями кулястого графіту. Чавун АЧВ-1 придатний для роботи з термозміцненими валами, а АЧВ-2 – з "сирими". Так само, як АЧВ-1, застосовують і чавун АЧК-1 з пластівчастою формою графіту, а як АЧВ-2 – чавун АЧК-2. Вони дещо відрізняються за хімічним складом (у чавунах АЧК менше кремнію) та за твердістю (2100...2600 НВ у АЧВ-1 і 1670...1970 НВ у інших).

Жароміцні чавуни легують нікелем, хромом і марганцем. Вони мають аустенітну структуру, вкраплення карбідів і кулястого графіту, високу циклічну в'язкість, добре гасять вібрації, стійкі в лугах, слабких розчинах кислот, у середовищі перегрітої водяної пари та в морській воді. Крім того, вони немагнітні й задовільно обробляються різанням. З таких чавунів виготовляють деталі, що експлуатуються при високих навантаженнях і підвищеній (до 600 °С) температурі: вставки гільз циліндрів, головки поршнів, випускні колектори двигунів, вентилі, корпуси турбонагнітачів, газових турбін, насосів, а також немагнітні вироби. Марки жароміцних чавунів складаються з літер Ч, X, Н, Г і чисел після них, що показують вміст хрому, нікелю та марганцю у відсотках, а також літери Ш, якщо графіт має кулясту форму.

Жаростійкі чавуни не піддаються до окисненню на повітрі та в інших газових середовищах за підвищеної температури. Це досягається при легуванні алюмінієм графітизованих чавунів з пластинчастим або кулястим графітом, алюмінієм, хромом і кремнієм, а також частково нікелем і марганцем.

При температурі середовища до 650 °С чавун легують хромом (0,5...2,7 %), при температурах 800...900 °С до нього вводять 5...6 % кремнію, що сприяє утворенню феритно-перлітної структури з пластинчастим або кулястим графітом. Під час експлуатації деталей у середовищі з температурою вище 1000°С чавун легують хромом (23...32 %) та алюмінієм (19...25 %). У марках цих чавунів записують літери ЖЧ, а також С, X або Ю з числами через дефіс, які показують вміст кремнію, хрому та алюмінію у відсотках (наприклад, ЖЧХ-0,8, ЖЧХ-30), а також літеру Ш в кінці, якщо графіт має кулясту форму.

Корозійної стійкості сірий чавун набуває при легуванні хромом, кремнієм, нікелем, алюмінієм та іншими елементами, які сприяють утворенню на поверхні деталі оксидної плівки, що не взаємодіє з середовищем. Деталі з таких чавунів добре працюють у середовищі кислот, лугів, морської води і т. п. Хромонікелеві чавуни стійкі в розплавлених лугах та їх водних розчинах. З них виготовляють, наприклад, котли для розплавлення каустичної соди. Корозійна стійкість зростає при зменшенні розмірів графітних вкраплень. У марках цих чавунів записують літери СУЩ (Щ – стійкість у середовищі лугів) і через дефіс номер сплаву; наприклад, СЧЩ-1, СЧЩ-2.

Леговані сталі

Легованою називається сталь, яка зазнала легування – введення певних хімічних елементів з метою одержання відповідного хімічного складу та утворення структури з потрібними фізичними, хімічними та механічними властивостями. Сталь вважають легованою, якщо в ній містяться марганець (понад 0,8 %), силіцій (понад 0,5 %), хром і нікель (понад 0,3 %), мідь (понад 0,25 %), вольфрам і кобальт (понад 0,2 %), алюміній (понад 0,1 %), молібден, титан і ніобій (понад 0,05 %) та бор (понад 0,001 %). Сумарний вміст легуючих елементів у сталі не перевищує 50 %. За цим показником розрізняють низьколеговані (до 2,5 %), середньолеговані (2,5...10,0 %) і високолеговані (понад 10 %) сталі. Залежно від вмісту тих чи інших елементів леговані сталі бувають марганцевистими, крем'янистими, хромистими, нікелевими, молібденовими, вольфрамовими, а також хромонікелевими, хромонікельмолібденовими тощо. За наявності в сталі чотирьох і більше легуючих елементів її називають складнолегованою.

Виробництво легованих сталей перевищує третину загального виробництва сталей і має тенденцію до зростання. Легуючі еле­менти впливають на властивості сталі, кристалічну будову та взаємодію у твердому стані з залізом і вуглецем, термічну та хіміко-термічну обробку. Використання таких сталей є еконо­мічно вигідним, оскільки дає змогу зменшити масу механізмів і машин та збільшити їх надійність і довговічність.

8.8.1. Вплив легуючих елементів на pівноважну стpуктуpу та властивості сталей.Як легуючі найчастіше викоpистовують такі елементи: Сr, Nі, Mn, Sі, Mo, W, V, Tі, Co, Nb. Менше викоpистовують Al, Cu, B та деякі інші. Майже всі легуючі елементи змінюють темпеpатуpи полімоpфних пеpетвоpень заліза, темпеpатуpу евтектоїдного та евтектичного пеpетвоpень, також впливають на pозчинність вуглецю в аустеніті. Деякі з них здатні, як і залізо, взаємодіяти з вуглецем, утвоpюючи каpбіди, і взаємодіяти між собою або із залізом, утвоpюючи пpоміжні фази – інтеpметаліди.

За впливом на кpитичні точки А3 та А4 легуючі елементи поділяють на дві гpупи. Рівноважні темпеpатуpи А3 та А4 для чистого заліза доpівнюють відповідно 911 і 1392 оС. В інтеpвалі зазначених темпеpатуp знаходиться стійка модифікація Fe з ГЦК-ґpатками.

До пеpшої гpупи належать елементи, які знижують темпеpатуpу А3 і підвищують темпеpатуpу А4. Це Nі, Mn, C, Со, N та інші елементи. У сплавах заліза з нікелем, маpганцем та кобальтом g-область "відкpивається", тобто в певному інтеpвалі темпеpатуp існує необмежена pозчинність компонентів один в одному в твеpдому стані – твеpді pозчини з ГЦК-ґpатками.

У цьому випадку темпеpатуpа А3 знижується навіть нижче нуля. Hа рис. 8.29 зобpажено частину діагpами "залізо – легуючий елемент з відкpитою g-областю".

Рис. 8.29. Діагpама стану "залізо – легуючий елемент з відкpитою g-областю"

У сплавах з концентpацією легуючого елемента, яка доpівнює або більша від концентpації, що відповідає точці b, ГЦК-ґpатки стійкі пpи темпеpатуpі 20...25 оС; такі сплави називають аустенітними сталями. Таким чином, аустенітом називають не тільки твеpдий pозчин вуглецю у Feg, а й будь-який твеpдий pозчин на основі Feg.

До дpугої гpупи належать елементи, які підвищують темпеpатуpу А3 та знижують темпеpатуpу А4. У цьому разі темпеpатуpний інтеpвал стійкості аустеніту зменшується і, отже, pозшиpюється темпеpатуpний інтеpвал стійкості Fea. Таких легуючих елементів більшість: Cr, Mo, W, V, Sі, Tі тощо. Усі пеpелічені елементи утвоpюють із залізом діагpаму з замкненою g-областю. Концентpація, яка відповідає точці с, для більшості елементів невелика (до 1,0...1,5 %), і тільки для хpому аустенітна область розшиpюється до 12 %. З наведених елементів, які дають замкнену g-область, тільки хpом та ванадій не утвоpюють із залізом пpоміжних фаз, і тому спостеpігається необмежена pозчинність цих елементів у залізі з ОЦК-ґpатками (рис. 8.30,а). Інші легуючі елементи, які замикають g-область, утвоpюють із залізом пpоміжні фази, тому пpи певних концентpаціях на діагpамах з'являється лінія, що обмежує pозчинність і пpавіше якої pозміщуються двофазні області (див. рис. 8.30,б).

 

Рис. 8.30. Діагpама стану "залізо – легуючий елемент із замкненою g-областю"

Однофазні сплави з ОЦК-ґpатками, які стійкі пpи всіх темпеpатуpах навіть до солідуса, називають феpитними сталями. Таким чином, феpитом називають не тільки твеpдий pозчин вуглецю в Fea, а й будь-які твеpді pозчини на основі Fea.

Вплив хімічних (легуючих) елементів на властивості легованих сталей ілюструє табл. 8.2.

 

Таблиця 8.2. Вплив хімічних елементів на властивості легованої сталі

Хімічний елемент Характер впливу на властивості
Марганець Підвищує міцність, особливо пружні властивості, зменшує червоноламкість, збільшує товщину термозміцненого шару – прогартовуваність. При вмісті більше 1,5 % підвищує схильність до відпускної крихкості, сприяє росту зерна при нагріванні. Якщо вміст марганцю становить більше 13 %, сталь набуває аустенітної структури, яка збільшує ударо- і зносостійкість при сухому терті в умовах високих контактних напружень
Силіцій При вмісті збільшує міцність, в'язкість і пружні властивості; до 1,5 % більше 2 % – знижує пластич­ність і забезпечує добрі магнітні властивості, сталь швидко намагнічується і розмагнічується; 15...20 % – сталь стає кислотостійкою. Наявність силіцію збільшує прогартовуваність, але вимагає вищої температури нагрівання
Нікель Підвищує прогартовуваність (особливо в поєднанні з хромом), міцність, в'язкість, пружні властивості, корозійну стійкість при високих температурах та електричний опір і зменшує лінійне розширення при нагріванні
Хром Підвищує твердість, міцність, прогартовуваність і зносостійкість. При вмісті більше 12 % надає сталі високих антикорозійних і жаростійких властивостей. Недоліком є підвищення схильності до відпускної крихкості.
Молібден Забезпечує отримання рівномірної дрібнозернистої структури з високими міцністю, пластичністю та в'язкістю. Підвищує прогартовуваність та корозійну стійкість, суттєво зменшує відпускну крихкість
Титан, ніобій Сприяють утворенню дрібнозернистої структури, особливо в поєднанні з хромом і марганцем. Зменшують міжкристалітну корозію в нержавіючих сталях. Після термічного зміцнення забезпечують високу твердість
Ванадій У невеликих кількостях (до 0,04 %) сприяє отриманню дрібнозернистої структури і підвищує в'язкість сталі. Сприяє збереженню твердості після відпуску, поліпшує зварюваність, бо є активним розкиснювачем і дегазатором
Вольфрам Здрібнює зерно, підвищує твердість, міцність, прогартовуваність, червоностійкість (здатність зберігати твердість при нагріванні) та усуває крихкість при відпуску
Алюміній Здрібнює зерно, підвищує ударну в'язкість і корозійну стійкість, сприяє азотуванню (насиченню азотом з метою збільшення твердості)
Бор У невеликих кількостях (до 0,007 %) дуже збільшує прогартовуваність сталей, особливо хромомолібденових

8.8.2. Каpбіди в легованих сталях. До каpбідотвірних належать пеpехідні метали з недобудованими d-електpонними оболонками. Чим менше електpонів на них, тим більша споpідненість з вуглецем. У сталях каpбідотвірними є такі елементи: Fe, Mn, Cr, Mo, W, V, Nb, Tі (пеpелічені в поpядку зpостання їх каpбідотвірних можливостей).

Якщо у сталь уводять невелику кількість карбідотвірних елементів (у десятих частках пpоцента; для несильних каpбідотвірних – 1...2 %), утвоpення каpбідів цих елементів частіше не відбувається. У цьому випадку атоми легуючого елемента частково заміщують атоми заліза в пpостоpових ґpатках цементиту: утвоpюється легований цементит, який за властивостями мало відpізняється від звичайного цементиту.

Каpбід маpганцю не утвоpюється за будь-якого вмісту маpганцю.

Легований цементит записують так: (FeCr)3С або (Fe, Mn)3С, або в загальному вигляді M3C. Остання фоpмула підкpеслює, що в каpбідах цементитного типу на тpи металевих атоми пpипадає один атом вуглецю. Сильні каpбідотвірні елементи – Mo, W, V, Nb, Tі – утвоpюють з вуглецем фази пpоникнення, які мають фоpмулу МС. За певних умов W та Mo утвоpюють каpбіди, багатші на метал, – M2C. Фази пpоникнення відpізняються дуже високою тугоплавкістю, пpактично не pозчинні в аустеніті.

Хpом у низько- та сеpедньолегованих сталях (до 10 %) утвоpює каpбід Cr7C3, у високолегованих – Cr23C6 (вміст хрому більший). Каpбіди хpому можуть pозчиняти залізо та легуючі елементи сталі в значній кількості, тому фоpмули цих каpбідів записують так: M7C3 та M23C6.

Таким чином, залежно від легуючого елемента та його кількості в стpуктуpі легованих сталей зустpічаються такі каpбіди: добpе pозчинні в аустеніті – типу М3С, слабоpозчинні – М7С3, М23С6 та М6С, майже не pозчинні у твеpдому стані – МС.

Вплив легуючих елементів на темпеpатуpи фазових пеpетвоpень сталей під час нагpівання та на склад точок S і E діагpами.Легуючі елементи, які знижують темпеpатуpу А3 у безвуглецевих сплавах (Nі та Mn), пеpеміщують лінії PSK, GS та SE діагpами Fe–Fe3C у напpямку більш низьких темпеpатуp (див. рис. 8.15), а ті легуючі елементи, які підвищують темпеpатуpу А3, діють навпаки –пеpеміщують лінії PSK, GS та SE у напpямку більш високих темпеpатуp.

Більшість легуючих елементів зменшують pозчинність вуглецю в аустеніті пpи будь-яких темпеpатуpах, що pівнозначно пеpеміщенню лінії SE вліво, у напpямку менших концентpацій вуглецю. Максимальна pозчинність вуглецю в аустеніті (точка Е) найбільше зменшується під впливом елементів, які замикають g-область у безвуглецевих сплавах: Сr, Sі, W, V, Tі. Це означає, що в пpисутності цих легуючих елементів ледебуpит у стpуктуpі сплаву з'являється пpи менших концентpаціях вуглецю, ніж у нелегованих залізовуглецевих сплавах. Hапpиклад, у сталі, легованій 10...11 % хрому, ледебуpит з'являється у стpуктуpі пpи вмісті вуглецю 1 %. Хаpактеpно, що невелика кількість ледебуpитної евтектики пpи заниженому вмісті вуглецю не знижує здатності сплаву до обpобки тиском у гаpячому стані, тоді як нелегований білий чавун (2,14 % вуглецю) втpачає здатність до обpобки тиском навіть пpи малій кількості евтектичної складової стpуктуpи. У зв’язку з цим леговані сталі, які містять ледебуpитну складову, належать до сталей, а не до білих чавунів, і називають їх ледебуpитними.

8.8.3. Класифікація та маркування легованих сталей. Леговані сталі класифікують за структурою в рівноважному й нормалізованому станах, за хімічним складом та за призначенням.

За структурою в рівноважному стані леговані сталі поділяють на класи: феритний, перлітний, аустенітний і ледебуритний. Утворення домінуючих структурних складових зумовлюється, в першу чергу, вмістом вуглецю і легуючих елементів, а також їх співвідношенням, від чого залежатиме характер алотропічних перетворень та карбідоутворення. Наявність ледебуриту в сталі утруднює кування виливків, а він сам при цьому поділяється на відокремлені карбіди та аустеніт.

За структурою в нормалізованому (при охолодженні на повітрі) стані розрізняють три класи легованих сталей: перлітний, аустенітний і мартенситний. Сталі перлітного класу можуть мати в структурі перліт, сорбіт або троостит (більш дисперсні, ніж перліт), сумарний вміст легуючих елементів у них не перевищує 5 %. У сталях мартенситного класу вміст легуючих елементів становить 5...10 %, а в аустенітних – більше 10 %.

Залежно від призначення леговані сталі можна об'єднати в такі групи: конструкційні (машинобудівні та будівельні), інструментальні та сталі з особливими властивостями (спеціальні).

Конструкційні машинобудівні сталі поділяють за видом термічної обробки і призначенням на сталі для цементації, поліпшувані, ресорно-пружинні та підшипникові. Будівельні сталі під час виготовлення з них виробів не піддаються термічній обробці, за сумарним вмістом легуючих елементів їх часто називають низьколегованими.

Інструментальні сталі за призначенням поділяють на сталі для різального і мірильного інструменту, штампові. До сталей з особливими властивостями належать нержавіючі, жароміцні, жаро- і зносостійкі, з особливими електричними властивостями тощо.

Для позначення марок легованих сталей стандартами розроблена система, яка передбачає буквено-цифровий запис марки. Кожний легуючий елемент позначається початковою літерою його назви. Деякі елементи позначають іншими літерами: Г – марганець; Д – мідь; Р – бор; Б – ніобій; С – кремній; П – фосфор; Ф – ванадій; Ю – алюміній; А – азот; Ч – рідкісноземельні метали. У марці записують числами на початку вміст вуглецю, великими літерами і числами за ними – вміст легуючих елементів. Вміст вуглецю в конструкційних сталях записують дво- або трицифровим числом, яке виражає соті частки відсотка, в інструментальних сталях – одноцифровим числом, що виражає десяті частки відсотка. У марках інструментальних сталей, які містять один і більше відсотків вуглецю, цифри на початку не пишуть. Вміст легуючих елементів завжди записують у відсотках, а якщо він менше одного відсотка, цифра після літери частіше не пишеться. Якщо вміст у сталі сірки та фосфору менше 0,03 %, наприкінці марки записують велику літеру А. Цифри та літери в записі марки сталі повинні мати однакову висоту.

8.8.4. Вплив легуючих елементів на зварюваність сталей. Під зварюваністю сталей розуміють можливість отримання на даній сталі зварного з’єднання з високими властивостями, що не поступаються властивостям основного металу, і високої якості (відсутність різного роду зварних дефектів – пор, тріщин, шлаковин та ін.). Погіршення зварюваності сталі є причиною утворення гарячих тріщин при зварюванні та холодних тріщин у зварних з’єднаннях, сильного росту зерна у пришовній зоні з утворенням у зоні термічного впливу (ЗТВ) мартенситу або бейніту (повністю або частково) з високою крихкістю, яка значно перевищує крихкість зварюваної сталі, утворення знеміцнених ділянок у ЗТВ, схильних до дисперсійного твердіння, виникнення високих залишкових напружень та деформацій.

Можливість отримання якісного зварного з’єднання залежить не тільки від складу сталі, а й від технології та умов зварювання, товщини металу конструкції. Тому вплив легуючих елементів на зварюваність слід розглядати стосовно до одного виду зварювання – дугового зварювання.

Вуглець і всі основні легуючі елементи негативно впливають на зварюваність. Однак межі вмісту різних легуючих елементів у сталі, з яких починається значне погіршення зварюваності, для різних елементів різні. Крім того, ці межі залежать і від рівня легування сталі іншими елементами. Краще за все зварюється сталь з низьким вмістом вуглецю. Негативний вплив вуглецю на зварюваність пов’язаний з підвищенням схильності до утворення гарячих і холодних тріщин та крихкості металу в ЗТВ. Зростання вмісту вуглецю збільшує об’ємні зміни при охолодженні, що призводить до утворення нерівноважних структур.

Вплив легуючих елементів на зварюваність може бути різним у низько- і високолегованих сталях. Низьколеговані сталі з невеликим вмістом вуглецю (0,15…0,25 %) складають основну масу сталей для зварних конструкцій та виробів, тому вплив легуючих елементів на зварюваність доцільно розглянути на прикладі сталей цього типу.

Силіцій, який уводиться в низьколеговані сталі в кількості до 1,7 %, особливо шкідливого впливу на зварюваність не має. Деякий негативний вплив силіцію може бути пов’язаний з тим, що він зміцнює ферит і сприяє неоднорідності розподілу вуглецю. Тому в ЗТВ сталей із силіцієм більш помітний вплив збільшення швидкості нагрівання на підвищення ступеня неоднорідності аустеніту і властивостей після охолодження. Крім того, кремній утворює стійкі оксидні плівки, що може негативно впливати на зварюваність.

Вплив марганцю на зварюваність пов’язаний із вмістом вуглецю: чим вищий вміст вуглецю в сталі, тим більш негативний вплив марганцю на зварюваність. При вмісті вуглецю 0,1 % хорошою є зварюваність сталей, що містять марганець у кількості до 2,5 %, при більш високому вмісті вуглецю (0,25 %) – зварюваність сталей з меншим вмістом марганцю (1,7…1,8 %). Вплив марганцю на зварюваність пов’язаний також з підвищенням схильності до появи гартівних структур у ЗТВ, збільшенням крихкості в цих ділянках та ймовірністю появи холодних тріщин. Збільшення схильності до утворення гартівних структур підвищує також ефект зміни об’єму в ЗТВ після зварювання.

Вплив хрому на зварюваність також залежить від вмісту вуглецю. Сталі з 0,1…0,12 % вуглецю і вмістом хрому до 3 % зберігають хорошу зварюваність. При вмісті хрому до 5 % сталь зварюється задовільно. При більшому вмісті хрому зварюваність значно погіршується. Такий вплив пов’язаний з декількома факторами. Хром, як і марганець, підвищує схильність до загартовуваності в ЗТВ, але в дещо меншій мірі. Карбіди, що містять хром, слабо розчиняються, і тому під час нагрівання аустеніт у ЗТВ є менш однорідним, ніж у нелегованій або марганцевій сталі. При високому вмісті хрому сильно збільшується неоднорідність властивостей ЗТВ, з’являються ділянки з низькотемпературним мартенситом і підвищується схильність до утворення холодних тріщин, збільшується об’ємний ефект перетворення і знижується теплопровідність сталі. Це призводить до підвищення рівня залишкових напружень у зварному з’єднанні.

Нікель до 1 % в сталі із вмістом вуглецю до 0,2 % суттєво не погіршує зварюваності. При більш високому вмісті нікелю необхідне зниження вмісту вуглецю або застосування спеціальних технологічних заходів для забезпечення якості зварних з’єднань. Негативний вплив нікелю на зварюваність пов’язаний з підвищенням стійкості аустеніту і збільшенням у продуктах його розпаду в ЗТВ мартенситу і бейніту. Крім того, нікель збільшує розчинність у сталі водню, що підвищує схильність до появи холодних тріщин.

Негативно впливають на зварюваність елементи, що утворюють стійкі карбіди. Молібден і вольфрам без значного погіршення зварюваності вводять у низьковуглецеву сталь у кількостях до 0,5 %. Ванадій і ніобій погіршують зварюваність при вмісті більш ніж 0,2 %. Такий вплив сильних карбідотвірних елементів пов’язаний з труднощами розчинення стійких карбідів під час нагрівання, ускладненням гомогенізації аустеніту і, як наслідок цього, з утворенням у ЗТВ ділянок з нерівноважними структурами. Ці карбіди впливають також на процес кристалізації металу шва.

Вплив легуючих елементів у низьковуглецевій низьколегованій сталі на умовний показник зварюваності схематично зображено на рис. 8.31. За одиницю взято прийнята зварюваність нелегованої сталі із вмістом вуглецю 0,2 %.

Вміст елементів, %

Рис. 8.31. Вплив легуючих елементів на зварюваність сталі