Чавунце група залізовуглецевих сплавів із вмістом вуглецю понад 2%.Його корисність пояснюється його відносно низькою температурою плавлення.Складові сплаву впливають на його колір під час руйнування: білий чавун містить домішки карбіду, які дозволяють тріщинам проходити прямо наскрізь, сірий чавун має лусочки графіту, які відхиляють тріщину, що проходить, і утворюють незліченні нові тріщини, коли матеріал руйнується, а ковкий чавун має сферичну форму. графітові «вузлики», які зупиняють подальше прогресування тріщини.

Основними легуючими елементами чавуну є вуглець (С) від 1,8 до 4 мас.% і кремній (Si) 1-3 мас.%.Сплави заліза з меншим вмістом вуглецю відомі як сталь.

Чавун має тенденцію бути крихким, за винятком ковкого чавуну.Завдяки відносно низькій температурі плавлення, хорошій текучості, здатності до лиття, відмінній оброблюваності, стійкості до деформації та стійкості до зношування чавуни стали інженерним матеріалом із широким спектром застосування та використовуються в трубах, машинах і деталях автомобільної промисловості, таких як циліндри. головки, блоки циліндрів і коробки передач.Він стійкий до пошкоджень окисленням.

Найдавніші чавунні артефакти датуються 5 століттям до нашої ери і були виявлені археологами на території сучасного Цзянсу в Китаї.У стародавньому Китаї чавун використовувався для війни, сільського господарства та архітектури.У 15 столітті чавун почали використовувати для виготовлення гармат у Бургундії, Франції та Англії під час Реформації.Велика кількість чавуну, що використовується для гармат, вимагала великомасштабного виробництва. Перший чавунний міст був побудований у 1770-х роках Авраамом Дарбі III і відомий як Залізний міст у Шропширі, Англія.У будівництві будівель також використовувався чавун.

Легуючі елементи

Властивості чавуну змінюються додаванням різних легуючих елементів, або сплавів.Крім вуглецю, кремній є найважливішим легуючим речовиною, оскільки він витісняє вуглець із розчину.Низький відсоток кремнію дозволяє вуглецю залишатися в розчині з утворенням карбіду заліза та виробництвом білого чавуну.Високий відсоток кремнію витісняє вуглець із розчину з утворенням графіту та виробництвом сірого чавуну.Інші легуючі речовини, марганець, хром, молібден, титан і ванадій, протидіють кремнію, сприяють утриманню вуглецю та утворенню цих карбідів.Нікель і мідь підвищують міцність і оброблюваність, але не змінюють кількість утвореного графіту.Вуглець у формі графіту призводить до м’якшого заліза, зменшує усадку, знижує міцність і зменшує щільність.Сірка, в основному забруднювач, коли присутня, утворює сульфід заліза, який запобігає утворенню графіту та підвищує твердість.Проблема з сіркою полягає в тому, що вона робить розплавлений чавун в’язким, що спричиняє дефекти.Щоб протистояти впливу сірки, додають марганець, оскільки вони утворюють сульфід марганцю замість сульфіду заліза.Сульфід марганцю легший за розплав, тому він має тенденцію випливати з розплаву в шлак.Кількість марганцю, необхідна для нейтралізації сірки, становить 1,7 × вміст сірки + 0,3 %.Якщо додати більше цієї кількості марганцю, то утворюється карбід марганцю, який підвищує твердість і охолодження, за винятком сірого чавуну, де до 1% марганцю підвищує міцність і щільність.

Нікель є одним із найпоширеніших легуючих елементів, оскільки він покращує структуру перліту та графіту, покращує ударну в’язкість і вирівнює різницю твердості між товщиною секцій.Хром додається в невеликих кількостях для зменшення вільного графіту, отримання охолодження, а також тому, що він є потужним стабілізатором карбіду;нікель часто додається в поєднанні.Замість 0,5% хрому можна додати невелику кількість олова.Мідь додається в ковш або в піч, приблизно 0,5-2,5%, щоб зменшити охолодження, рафінувати графіт і збільшити текучість.Молібден додається в кількості 0,3-1% для підвищення охолодження і покращення структури графіту і перліту;його часто додають у поєднанні з нікелем, міддю та хромом для отримання високоміцних чавунів.Титан додається як дегазатор і розкислювач, але він також підвищує текучість.Для стабілізації цементиту, підвищення твердості, підвищення стійкості до зношування і нагріву до чавуну додають 0,15—0,5 % ванадію.0,1–0,3% цирконію сприяє утворенню графіту, розкисленню та підвищенню плинності.

У розплави ковкого чавуну додають вісмут у масштабі 0,002–0,01%, щоб збільшити кількість кремнію, яке можна додати.У білий чавун бор додають, щоб допомогти у виробництві ковкого чавуну;він також зменшує ефект грубості вісмуту.

Сірий чавун

Сірий чавун характеризується своєю графітовою мікроструктурою, яка призводить до того, що тріщини матеріалу мають сірий вигляд.Це найбільш часто використовуваний чавун і найбільш широко використовуваний литий матеріал за вагою.Більшість чавунів мають хімічний склад 2,5-4,0% вуглецю, 1-3% кремнію і решта заліза.Сірий чавун має меншу міцність на розрив і ударостійкість, ніж сталь, але його міцність на стиск порівнянна з низько- та середньовуглецевою сталлю.Ці механічні властивості контролюються розміром і формою графітових пластівців, присутніх у мікроструктурі, і можуть бути охарактеризовані відповідно до вказівок, наданих ASTM.

Білий чавун

Білий чавун має білі тріщини через наявність осаду карбіду заліза, який називається цементитом.Завдяки меншому вмісту кремнію (графітизуючого агента) і швидшій швидкості охолодження вуглець у білому чавуні виділяється з розплаву у вигляді метастабільної фази цементиту Fe₃C, а не графіт.Цементит, який виділяється з розплаву, утворює відносно великі частинки.Коли карбід заліза випадає в осад, він забирає вуглець із початкового розплаву, переміщуючи суміш до фази, яка ближче до евтектики, а фаза, що залишилася, є нижчим залізовуглецевим аустенітом (який при охолодженні може перетворитися на мартенсит).Ці евтектичні карбіди занадто великі, щоб забезпечити переваги того, що називається дисперсійним зміцненням (як у деяких сталях, де значно менші виділення цементиту можуть інгібувати [пластичну деформацію], перешкоджаючи руху дислокацій через феритову матрицю чистого заліза).Швидше, вони збільшують об’ємну твердість чавуну просто завдяки своїй власній дуже високій твердості та значній об’ємній частці, так що об’ємну твердість можна приблизно визначити за правилом сумішей.У будь-якому випадку вони пропонують твердість за рахунок міцності.Оскільки карбід становить значну частину матеріалу, білий чавун цілком можна класифікувати як металокераміку.Білий чавун є надто крихким для використання в багатьох конструкційних компонентах, але з хорошою твердістю та стійкістю до стирання та відносно низькою вартістю він знаходить застосування в таких сферах застосування, як поверхні зносу (крильчатка та спіраль) шламових насосів, вкладишів корпусу та балок підйомника в кулі. млини та млини для автогенного подрібнення, кулі та кільця у вугільних подрібнювачах, а також зуби копального ковша екскаватора (хоча лита середньовуглецева мартенситна сталь більш поширена для цього застосування).

Важко охолодити товсті виливки досить швидко, щоб повністю затвердіти розплав, як білий чавун.Однак швидке охолодження можна використовувати для затвердіння оболонки з білого чавуну, після чого залишок охолоджується повільніше, утворюючи серцевину з сірого чавуну.Отриманий виливок, званий aохолоджене лиття, має переваги твердої поверхні з дещо жорсткішою внутрішньою частиною.

Сплави білого заліза з високим вмістом хрому дозволяють відливати масивні виливки (наприклад, 10-тонну крильчатку), оскільки хром зменшує швидкість охолодження, необхідну для отримання карбідів через велику товщину матеріалу.Хром також виробляє карбіди з вражаючою стійкістю до стирання.Ці сплави з високим вмістом хрому пояснюють свою вищу твердість наявністю карбідів хрому.Основною формою цих карбідів є евтектика або первинна М₇C₃карбіди, де «М» означає залізо або хром і може змінюватися залежно від складу сплаву.Евтектичні карбіди утворюються як пучки порожнистих шестикутних стрижнів і ростуть перпендикулярно гексагональній базисній площині.Твердість цих карбідів знаходиться в межах 1500-1800HV.

Ковкий чавун

Ковкий чавун починається як відливка з білого чавуну, яка потім піддається термічній обробці протягом дня або двох при приблизно 950 °C (1740 °F), а потім охолоджується протягом дня або двох.У результаті вуглець у карбіді заліза перетворюється на графіт і ферит плюс вуглець (аустеніт).Повільний процес дозволяє поверхневому натягу формувати графіт у сфероїдні частинки, а не в пластівці.Завдяки меншому аспектному співвідношенню сфероїди є відносно короткими і віддаленими один від одного, і мають нижчий поперечний переріз порівняно з тріщиною або фононом, що поширюється.Вони також мають тупі межі, на відміну від лусочок, що зменшує проблеми концентрації напруги, які зустрічаються в сірому чавуні.Загалом, властивості ковкого чавуну більше схожі на властивості м’якої сталі.Існує обмеження щодо того, наскільки велика деталь може бути відлита з ковкого чавуну, оскільки він виготовляється з білого чавуну.

Ковкий чавун