Чавун з вермикулярним графітом (ЧВГ, ДСТУ 3926-99)

Це “наймолодший” з усіх видів чавуну (створений у 1970). Поєднує у собі високі ливарні, механічні та теплофізичні властивості, отже, придатний для відливання деталей складної конфігурації, тонкостінних, що витримують значні теплові та силові навантаження. Кожна частинка вермикулярного графіту, як i частинка кулястого графіту, росте з окремого центру кристалізації. При цьому вона також оточена аустенітом, але не суцільно: кінчики залишаються у контакті із рідиною, ростуть швидше за аустеніт i перетворюються на червоподібні відростки. Завдяки цьому ефект надрізу зменшується порівняно з пластинчастим графітом i, отже, забезпечується вища міцність. Проте, більша розгалуженість і менші відстані, ніж у кулястого графіту, забезпечують схильність до вибілювання i усадочних дефектів, більшу густину, вищі тепло- і eлeктpoпpoвiднicть.

Механічні властивості ЧВГ менше залежать від вуглецевого еквіваленту, отже, можна більш вільно варіювати хімічний склад i швидкість охолодження, що особливо важливо для різностінних виливків.

Переваги ЧВГ над чавунами з пластинчастим графітом:

– вища статична міцність σ _В, границя витривалості σ _-1, відносні подовження δ та звуження ψ, ударна в’язкість KCV – без використання дорогих легуючих елементів;

– краща опірність високотемпературному окисленню та росту;

– менша чутливість міцності до товщини стінок.

Переваги над чавунами з кулястим графітом:

– менший термічний коефіцієнт розширення α;

– вища теплопровідність λ;

– кращі демпфувальні властивості:

– більша довговічність щодо термічної утоми;

– кращі ливарні властивості, що дозволяє виготовляти вироби складної форми.

Відповідно до ДСТУ 3926-99 марки чавунів з вермикулярним графітом позначаються так: спочатку ідуть літери ЧВГ, а далі цифрове позначення мінімального значення тимчасового опору розриву під час розтягнення у МПа та через дефіс – мінімальне значення відносного подовження у відсотках (ЧВГ 400-4).

 

Методичні вказівки

Дана лабораторна робота виконується фронтально бригадами з 2-3 осіб відповідно до загальної інструкції з техніки безпеки.

Кожна бригада одержує зразки для проведення мікроскопічного дослідження шліфів, порівнюючи мікроструктури зразків із фотографій структур чавунів, що наведені в альбомах, визначає марку чавуну. Необхідно схематично зарисувати структурні складові та, користуючись довідниковими даними, виписати біля кожної марки хімічний склад, твердість та призначення сплаву.

Зміст протоколу

1. Назва роботи.

2. Мета роботи.

3. Накреслити діаграму стану Fe-С (рис. 2.3), вказати фазовий склад сплавів.

4. Зарисувати мікроструктури всіх чавунів до i після травлення, передаючи тільки характерні особливості структурних складників, позначити структурні складники виносними лініями, вказати збільшення зображення.

5. Описати структурні складові.

6. Користуючись довідниковими даними, вказати марки за держстандартом, хімічний склад, механічні властивості та приклади застосування чавунів.

7. Висновки по виконаній роботі.

 

Питання для самоперевірки

1. В чому різниця між сірим та білим чавуном?

2. Структура сірих, високоміцних та ковких чавунів.

3. Порівняйте механічні властивості сірого, ковкого, високоміцного та вермикулярного чавунів. Від чого вони залежать?

4. Які деталі рекомендовано виготовляти з сірого чавуну?

5. Яку структуру має відливка товщиною 50мм з сірого чавуну, що містить 4,5 %С + Si?

6. Яку структуру має сірий чавун, що містить 3,2 %С + 1,5 %Si?

7. В яких випадках рекомендується використовувати відбілений чавун?

8. Який чавун рекомендовано використовувати для виготовлення підшипника ковзання, що працює у парі з зміцненим валом?

9. Який чавун рекомендовано використовувати для виготовлення поршневих кілець двигуна внутрішнього згорання?

10. Який чавун рекомендовано використовувати для виготовлення відповідних відливок: станин верстатів, поршнів, циліндрів та iнших?

11. Завдяки яким властивостям чавун знаходить широке застосування як конструкційний матеріал?

12. Як класифікують чавуни в залежності від форми графіту та структури металевої основи? Їх вплив на властивості чавуну.

13. Які властивості білих чавунів, їх призначення?

14. Фактори, що впливають на структуру металевої основи чавуну.

15. Згідно з якою діаграмою стану кристалізується сірий чавун?

16. Як одержати високоміцний та ковкий чавун?

17. Що таке модифікування чавунів? Які елементи відносяться до модифікаторів 1 та 2 типів?

18. Які фазові перетворення відбуваються на першій та другій стадіях графітизуючого відпалювання?

19. Як маркуються та для яких деталей застосовуються cipi, вермикулярні, високоміцні та ковкі чавуни?

 

Рекомендована література

1. Бялік О.М., Черненко В.С., Писаренко В.М., Москаленко Ю.Н. Металознавство. – К.: Політехніка, 2008.- 384 с.

2. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. – 3-е изд. – М.: Машиностроение, 1990. – 528 с.

3. Геллер Ю.А., Рахштад А.Г. Материаловедение. – 6-е изд. – М.: Металлургия, 1989. – 480 с.

4. Болховитинов Н.Ф., Болховитинова Е.Н. Атлас макро- и микроструктур металлов и сплавов. – М.: Машгиз, 1964. – 86 с.

 

Лабораторна робота № 3

Термічна обробка конструкційних сталей

Мета роботи – ознайомитися з видами і режимами термічної обробки вуглецевої сталі, гартівними структурами, вивчити залежність твердості сталі від швидкості охолодження, набути практичних навичок у виконанні процесів нормалізації і гартування.

Прилади та матеріали

1. Нагрівальна (муфельна) електрична піч опору, електронний потенціометр і термопара для виміру температури.

2. Комплект зразків вуглецевої Сталі 45 для термічної обробки.

3. Охолоджуючі (гартівні) середовища: вода, мастило мінеральне.

4. Інструменти і пристосування для виконання роботи (щипці для захоплення зразків, штангенциркуль, масштабна лінійка, секундомір).

5. Прилади для виміру твердості металів способами Бринелля (ТШ-2) і Роквелла (ТК-2), відліковий мікроскоп, шліфувальна шкірка, таблиця визначення твердості металів (плакат).

Порядок виконання роботи

1. Вивчити режими термічної обробки (відпал, нормалізація і гартування) і гартівні структури сталі.

2. Визначити температуру, тривалість нагрівання і швидкість охолодження для відпалу, нормалізації і гартування Сталі 45.

3. Виконати процеси нормалізації і гартування Сталі 45.

4. Виміряти твердість сталі після термічної обробки.

5. Оформити результати дослідів і скласти протокол.

 

Загальні відомості

Структуру і властивості металевих сплавів можна змінювати у великих межах за допомогою термічної обробки.

Термічною обробкою називається сукупність операцій нагрівання, витримки й охолодження металевих сплавів, які знаходяться у твердому стані, з метою вивчення їхньої структури і створення в них необхідних властивостей. Для термічної обробки сплав повинен мати фазові перетворення, тобто при нагріванні повинні відбуватися алотропічні перетворення або істотні зміни розчинності елементів. Особливо ефективна термічна обробка для сталі.

Основні види термічної обробки – відпал, нормалізація, гартування і відпускання.

Відпал – термічна операція, що складається з нагрівання металу, який має нестабільну структуру в результаті попередньої обробки і подальшому приведенні металу в більш стабільний стан. Він призначений для поліпшення структури і властивостей сталі, підготовки її структури до остаточної термічної обробки, пом'якшення сталі для полегшення механічної або пластичної обробки й інших цілей. За класифікацією А.А. Бочвара відпал буває першого і другого роду.

Відпал першого роду призначений для усунення хімічної і фізичної неоднорідності, що виникла в результаті попередніх обробок. Його проводять при температурах вище або нижче температури фазових перетворень (критичних точок). Розрізняють дифузійний (гомогенізаційний) і рекристалізаційний відпали й відпал для зняття залишкових напруг (рис. 6.1, а).

Відпал другого роду призначений для одержання практично рівного структурного (фазового) стану і полягає в нагріванні сталі до температур вище критичної точки Ac₃ або Ac₁, витримці і наступному повільному охолодженні (разом з піччю).

Розрізняють повний, ізотермічний і неповний відпали. Повний відпал полягає в нагріванні доевтектоїдної сталі до температур вище критичної точки Ac₃ на 30...50°C, витримці при цій температурі для повного прогрівання, завершенні перетворення феритно-перлітної структури в аустенітну і наступному повільному охолодженні. В процесі охолодження аустеніт перетворюється на перліт (феритно-цементитну суміш), виділяючи надлишкові фази. Швидкість охолодження вуглецевих сталей складає 50...100 °С/год, низьколегованих – 30...50 С/год. Після відпалу доевтектоїдної сталі одержують структуру перліту і фериту, евтектоїдної – перліту, заевтектоїдної – перліту і цементиту (вторинного).

Ізотермічний відпал полягає в нагріванні сталі (як правило легованої) до температур вище критичної точки Ac₃, порівняно швидкому охолодженні (переносом в іншу піч) до температури, що лежить нижче точки Ac₃ (звичайно ~650 °C), ізотермічній витримці для забезпечення повного розпаду аустеніту і наступного охолодження на повітрі.

Цей відпал застосовують після обробки тиском (кування) (шестерні, вали, муфти і т. п.) деталей невеликих розмірів. Для великих деталей його практично не використовують, оскільки неможливо забезпечити швидке і рівномірне охолодження до температури ізотермічної витримки.

Неповний відпал полягає в нагріванні сталі трохи вище температур критичної точки Ас₁. Його застосовують, як правило, для заевтектоїдних сталей, у яких при нагріванні на 10...30 °C вище критичної точки Ac₁ відбувається практично повна перекристалізація перліту в аустеніт, а після повільного охолодження отримують зернистий перліт замість пластинчастого. Такий відпал називають сфероїдизацією.

Нормалізація полягає в нагріванні доевтектоїдної сталі до температури, що перевищує критичну точку Ac₃ на 30...50 °C, а заевтектоїдної – вище критичної точки Acm також на 30...50 °C, нетривалій витримці для нагрівання виробів по всьому перетину, завершенні фазових перетворень і охолодженні на повітрі. Нормалізація призводить до повної фазової перекристалізації сталі і призначена для усунення грубозернистої структури, отриманої при литті, прокатці, куванні або штампуванні. Для сталей з малим вмістом вуглецю замість відпалу також застосовують нормалізацію, тому що вона менш трудомістка, забезпечує велику продуктивність при обробці різанням і одержанні кращої мікрогеометрії поверхні при підвищеній твердості сталі. Для відливок зі сталей з середнім вмістом вуглецю нормалізацію (або нормалізацію з високим відпусканням) застосовують замість гартування і високого відпускання, хоча механічні властивості в цьому випадку трохи нижчі, але при цьому вироби піддаються меншій деформації, і поява тріщин практично виключається.

Рисунок 3.1 – Діаграма температурного режиму для різних видів відпалу і відпускання сталі (а) та інтервал температур гартування сталі (б)

Гартування – термічна операція (рис. 3.1, б), що полягає в нагріванні сталі вище температур фазових перетворень (критичних точок), витримці при цих температурах і наступному швидкому охолодженні. Температура нагрівання залежить від вмісту в сталі вуглецю. Внаслідок високої швидкості охолодження сталь отримує структуру, відмінну від рівноважної, відповідно діаграмі стану системи залізо-вуглець.

Отримані при швидкому охолодженні сталі структури називають метастабільними, гартівними. Вони являють собою різні стадії перетворення аустеніту (мартенсит, троостит, сорбіт). При безперервному охолодженні вуглецевої сталі швидкість охолодження впливає на температуру розпаду аустеніту і на кількість структурних складових після охолодження (рис. 3.2).

Рисунок 3.2 – Діаграма ізотермічного перетворення