понад 2.0%. Розповсюджені марки чавунів звичайно, містять 2.5 — 4%
вуглецю, 1 — 4.5% кремнію, 0.2 — 1.5% марганцю, домішки фосфору й
сірки.
Вуглець у чавуні знаходиться або в хімічно зв'язаному стані (карбіди
заліза у виді ледебуриту, первинного й вторинного цементиту), або у
вільному стані, тобто у виді графіту. Тому структура чавуну залежить від
кількості вуглецю, що знаходиться в хімічно зв'язаному стані, і може бути:
перліто-графітна; ферито-перліто-графітна; ферито-графітна. Чавуни
розрізняють за структурою, способом виготовлення, хімічним складом й
призначенням.
У залежності від того, в якому стані знаходиться вуглець чавуни
поділяють на білі та графітизовані. В білих чавунах весь вуглець, не
розчинений у залізі, знаходиться у зв'язаному стані у вигляді хімічної
сполуки Fe3C - карбіду заліза (цементиту). Процес утворення в чавуні
цементиту називається відбілом.
У промисловості застосовуються чавуни, в яких весь вуглець (або
його більша частина) знаходиться у вигляді графіту, що забезпечує
зниження твердості, підвищення оброблюваності різанням, високі ливарні
і антифрикційні властивості. Такий чавун називається графітизованим.
Утворення графіту в чавуні може відбуватися в результаті безпосереднього
виділення його в рідкому чавуні або внаслідок розпаду попередньо
утвореного цементиту. Процес утворення в чавуні (а інколи і в сталі)
графіту називається графітизацією.
На процес кристалізації чавуну в білому чи графітизованому стані
впливають швидкість охолодження виливків після заливання рідким
металом та хімичний склад чавуну. Так, відбілу сприяють висока
швидкість охолодження і такі елементи як марганець, хром, сірка.
Графітизації ж сприяють повільне охолодження, а з хімічних елементів -
вуглець і кремній.
Вплив швидкості охолодження на процес графітизації виявляється в
тому, що в одному і тому ж виливку, частини якого охолоджуються з
різною швидкістю, може бути як біла структура (поверхневі шари, тонкі
частини виливка), так і графітизована (товсті частини виливка, внутрішні
стінки). Чавун, в якому частина вуглецю знаходиться у вигляді цементиту
Fe3C, а частина - у вигляді графіту, називається половинчастим.
Якщо чавун, в якому вуглець знаходиться у вигляді цементиту (білий
або половинчастий) зазнає тривалого впливу високої температури, то в ньому
також відбудеться процес графітизації, тобто розпад цементиту на
вуглець і залізо:
Fe3C → 3Fe + C.
Така термічна обробка білого або половинчатого чавуну називається
відпалом.
В залежності від форми графітних включень у графітизованих
чавунах останні поділяються на сірий, ковкий, високоміцний та чавун із
вермикулярним графітом.
Структура чавуну складається з металевої основи та графіту.
Графітні включення в металевій основі з огляду на те, що графіт має дуже
низькі механічні властивості порівняно з металевою основою, можна
розглядати як пустоти, тріщини. Природно, що чим більший об'єм
займають ці пустоти, тобто чим більше в чавуні вуглецю, тим нижчі
механічні властивості чавуну. При однаковому об'ємі пустот властивості
чавуну будуть залежати також від площі їхньої поверхні, тобто від форми.
Включення пластинчатої форми мають найбільш розгалужену поверхню і
тому найбільше знижують механічні властивості. З округленням графітних
включень їхній негативний вплив зменшується й стає найменшим у
випадку включень кулястої форми.
Сірий чавун (ГОСТ1412-79). Сірим називається чавун, в якому графіт
має форму дещо вигнутих пластин різної довжини та товщини в
залежності від марки чавуну.
Ковкий чавун (ГОСТ 1215-79). Ковким називається чавун, в якому
графіт має пластівчасту (кляксоподібну) форму. Така форма графіту
утворюється при відпалі білого чавуну. Назва “ковкий” не означає, що цей
чавун можна кувати, або піддавати будь-якій іншій обробці тиском. Це
суто ливарний матеріал а назва свідчить тільки про його більшу
пластичність порівняно із сірим чавуном.
Високоміцний чавун (ДСТУ 3925-99). Високоміцним називається
чавун, в якому графітні включення мають кулясту форму. Така форма
графіту утворюється при обробці рідкого чавуну невеликими дозами таких
елементів як магній, церій, кальцій, ітрій. Ці елементи називаються
модифікаторами. Вони, практично, не змінюють хімічний склад сплавів,
зате суттєво впливають на їхню структуру, змінюючи форму графітних
включень, розмір зерен, їх розташування тощо. Як модифікатор для
виготовлення чавуну з кулястим графітом найчастіше всього
використовується магній - найбільш ефективний і дешевий елемент.
Остаточний вміст магнію для отримання кулястого графіту становить
0.04...0.06%. За вмістом решти елементів високоміцний чавун майже не
відрізняється від сірого.
Чавун із вермикулярним графітом (ДСТУ 3326-99). Високоміцний
чавун із кулястим графітом поряд із його позитивними якостями (високі
механічні та експлуатаційні характеристики) має і суттєві недоліки
(підвищену об'ємну усадку, понижену теплопровідність, схильність до
відбілу). В чавуні з вермикулярним графітом ці недоліки відсутні. В ньому
поєднуються високі механічні і ливарні властивості, висока
теплопровідність, низька собівартість.
Графіт в такому чавуні має вигляд коротких потовщених пластин з
закругленими кінцями, форма яких є перехідною між пластинчатим і
кулястим графітом.
Структура чавуна залежить від швидкості охолодження і від вмісту в
ньому легуючих домішок. На рис. 1, а представлена схема впливу
елементів на відбілюваність чавуну. При низькому вмісті вуглецю й
кремнію виходить білий чавун.
На рис. 33, б показана залежність структури чавуну від змісту
вуглецю й кремнію, а на рис. 2, в — залежність структури від швидкості
охолодження.
Підвищення вмісту вуглецю в залізовуглецевому сплаві, викликає
зниження температури плавлення й підвищення його рідкоплинності, що є
однією з причин неможливості зварювання чавуну у всіх просторових
положеннях. Вуглець у чавуні сприяє виділенню структурно-вільного
графіту, що знижує механічні властивості чавуну.
б) вмісту вуглецю та кремнію;
в) від товщини стінок (швидкості охолодження) та сумарного вмісту в ньому вуглецю й кремнію
Кремній у чистому залізі розчиняється до 14.3%. Він зменшує
стійкість карбідів і сприяє виділенню вільного графіту. Збільшення вмісту
кремнію в чавуні зменшує усадку чавуна при затвердінні за рахунок
збільшення кількості графіту, що виділяється. Чим вищий вміст кремнію,
тим вище графітоутворення, тобто кремній сприяє графітизації чавуну.
Марганець, молібден, хром, сірка, ванадій перешкоджають
утворенню графіту.
Марганець із залізом утворює розчини будь-якої концентрації і має
велику спорідненість із сіркою, вуглецем й киснем і знаходиться у вигляді
сульфіду марганцю (MnS) і залізомарганцевого карбіду [(Fе ⋅ Мn)3C].
Сірчистий марганець погано розчиняється в рідкому й твердому
чавуні. Марганець є стабілізатором карбіду. При збільшенні вмісту
марганцю збільшується усадка чавуну й метал набуває схильність до
утворення гарячих тріщин.
Сірка із залізом утворює сульфід заліза (FeS), що являє собою
тверду, крихку складову. Сульфід заліза із залізом утворює евтектику з
температурою плавлення 953 °С. Евтектика, кристалізується по границях
зерен трохи пізніше основного металу (чавуну), і сприяє утворенню
гарячих тріщин.
Фосфор у залізі розчиняється до 0.3%, але утворює потрійну
евтектику заліза, цементиту і фосфористого заліза, що являє крихку
складову з температурою плавлення 950 — 980 °С. Евтектика збільшує
рідкоплинність (рідкотекучість) чавуну. Фосфор не відбілює і не
графітизує чавун. Збільшення фосфору в чавуні збільшує його
рідкоплинність.
Магній, який є стабілізатором карбідів (сприяє відбілюванню
чавуну), при додаванні в рідкий чавун, сприяє виділенню графіту кулястої
форми.
У чавуні можуть утворюватися такі структурні складові:
- ферит — твердий розчин вуглецю в залізі;
- цементит — хімічна сполука заліза з вуглецем;
- перліт — суміш фериту з цементитом;
- ледебурит — евтектична суміш цементиту й перліту;
- графіт — особлива форма вуглецю, найбільш м'яка і разом з тим
крихка складова чавуну.
Способи зварювання
Зварювання чавуну застосовується в ремонтних цілях і длявиготовлення зварно-литих конструкцій. До зварних з'єднань чавунних
деталей у залежності від типу й умов експлуатації висувають вимоги до
механічної міцності, щільності (водонепроникності, газонепроникності) і
оброблюваності різальним інструментом. Забезпечити ці вимоги при
зварюванні дуже складно через фізико-хімічні особливості чавуну.
Труднощі, що виникають при зварюванні чавуну, обумовлені, як
правило, низькою стійкістю металу зварного з'єднання проти утворення
тріщин і поганою його оброблюваністю.
Низька стійкість основного металу й металу біля шовної зони проти
утворення тріщин характерна для чавуну зниженим запасом
деформаційної здатності (зниження міцності й пластичності).
Зазначені особливості чавуна є наслідком порушення суцільності
його металевої основи включеннями графіту, а також схильністю його до
відбілювання та загартування навіть при невеликих швидкостях
охолодження. Ці властивості чавуну визначаються високим вмістом
вуглецю в ньому.
З'єднання чавунних деталей між собою виконують паянням та
зварюванням (термітним, ливарним, дуговим, електрошлаковим).
Зварювання ведуть без підігріву (холодний спосіб зварювання), з місцевим
підігрівом і з загальним підігрівом усього виробу. Для дугового
зварювання використовують вугільні, графітові, сталеві й леговані
електроди, а також електроди з кольорових металів. Підготовку місць під
зварювання виконують механічним шляхом чи вогневим способом. Для
утримання розплавленого металу зварювальної ванни (чавун має високу
рідкоплинність) застосовують спеціальні формовки. Призначення
формовки — утримувати розплавлений метал. Формувальна маса має
наступний склад: кварцовий пісок, замішаний на рідкому склі 40%,
формувальна земля 30% і біла глина 30%.
Підготовлена до зварювання деталь піддається загальному чи
місцевому підігріву до температури 350 — 450 °С. Іноді для особливо
складних деталей підігрів роблять до температури 550 — 600 °С.
Зварювання виконують як на змінному, так і на постійному струмі.
Величину струму підбирають із розрахунку 50—90 А на 1 мм діаметра
електрода.
Техніка й технологія зварювання
Дугове зварювання вугільним електродом. При дуговомузварюванні вугільним електродом застосовують у якості електродів
вугільні чи графітові стрижні. Присадковим матеріалом служать прутки
чавуну, а для захисту й розкислення ванни застосовують флюс, що
складається з технічної безводної бури (Na2B4O7), прожареної при
температурі близько 400° і разтертий у порошок. Іноді як флюс
застосовують суміш, що складається з 23% технічної бури, 27% соди
(Са2СО3) і 50% азотнокислого натрію (NaNO3).
Дугове зварювання чавунним електродом. Як електроди
застосовують литі стрижні діаметром 8 — 12 мм. На стрижні наносять
спеціальні графітозувальне покриття. Зварювання роблять на постійному
струмі при зворотній полярності як у гарячому, так і в холодному стані. До
складу покриття входить графіт, феросиліцій, терміт, мармур, алюміній
(порошок), титанова руда і рідке скло.
Наплавлення й зварювання за способом Ростовського інституту
інженерів транспорту. За цим способом наплавлення роблять чавунним
електродом діаметром 7 — 8 мм по шару гранульованої шихти.
Застосування великого струму, графітизаторів і захисного шару
шихти приводить до того, що наплавлений метал виходить м'яким і
обробляється звичайним різальним інструментом. Відсутність
загартування в металі шва й у перехідних зонах основного металу
пояснюється значним розігрівом основного металу й уповільненим
охолодженням. Цей спосіб займає проміжне положення між гарячим і
холодним способами зварювання чавуну. Шихта складається з чавунної
стружки 30%, феросиліцію 20%, алюмінію 30% і силікокальцію 12%.
Основою служить рідке скло.
Холодне зварювання чавуну. Холодне зварювання чавуну — це
такий спосіб зварювання, коли місцевий чи загальний підігрів виробу
відсутній. Холодне зварювання чавуну роблять сталевими електродами,
електродами з кольорових металів і електродами з аустенітного чавуну.
Зварювання сталевими електродами. При зварюванні сталевими
електродами з метою утворення міцного наплавленого металу в чавунний
виріб загортають шпильки, які згодом обварюють. Такий спосіб
застосовують при ремонті важких і громіздких чавунних деталей. При
зварюванні чавуну сталевими електродами метал шва, звичайно, містить
підвищену кількість вуглецю, внаслідок чого він має високу твердість і
схильний до утворення кристалізаційних і холодних тріщин.
Для зниження твердості металу шва при зварюванні сталевими
електродами застосовують два способи.
Першим способом знижують у металі шва вміст вуглецю шляхом
зменшення глибини проплавлення основного металу. Зварювання ведуть
по шару окисного флюсу, що містить до 30 % окалини, де флюс виконує
функцію окислювача вуглецю.
Другим способом одержують хімічний склад і структуру металу шва,
близький за хімічним складом й структурою сірого чавуна. Це досягається
шляхом нанесення на стержень із вуглецевої сталі товстого
графітизувального покриття, що містить 30% феросиліцію і 30% графіту.
Зварювання міднозалізними електродами. Для зварювання чавуну
застосовують також і міднозалізні електроди. Покриття цих електродів
складається з основного типу, що містить залізний порошок. Як стрижні
застосовують мідь марки М2, М3 чи її сплави.
Найбільш розповсюдженими типами електродів є електроди марки
0ЗЧ-1 і МНЧ-1. Наплавлений метал цих електродів добре обробляється.
Зварне з'єднання чавуну, виконане цими електродами, являє собою
механічну суміш міді і залізовуглецевого сплаву, з'єднаного з основним
металом загальними кристалами сталі, а також шляхом часткової дифузії
міді в мікропори чавуну.
Зварювання залізонікелевими електродами. Електроди марки ЦЧ-3 і
ЦН-ЗА виготовляють з залізонікелевого дроту з покриттям фтористо-
карбонатного типу і застосовують для зварювання високоміцних і сірих
чавунів.
Дугове зварювання електродами з аустенітного чавуну з
струмопровідним покриттям. Ці електроди призначені для заварювання
дефектів лиття і ремонтного зварювання. Зварювання цими електродами
ведуть постійним струмом при прямій полярності. Покриття цих
електродів має гарну електропровідність, і тому дуга горить поперемінно
між металевим стрижнем і виробом, а також між покриттям і виробом.
Механізовані способи зварювання чавуну. Чавун іноді зварюють
напівавтоматичним і електрошлаковим зварюванням.
Напівавтоматичне зварювання виконується із застосуванням
порошкового дроту і дають досить гарні результати. Електрошлакове
зварювання також забезпечує задовільні властивості зварного з'єднання із
сірого чавуну. При цьому способі зварювання застосовують як електроди
литі чавунні пластини. Правильний підбір електродів при
електрошлаковому зварюванні і застосування фторидних знесірчених і
неокислювальних флюсів, а також уповільнене охолодження шва й
навколошовної зони, що характерно тільки для електрошлакового
зварювання, дозволяють одержати зварні шви без вибілених ділянок,
тріщин, пор і інших дефектів, що впливають на якість звареного з'єднання.
