2.1.2. Графитизированные чугуны.

В отличие от белых чугунов, в графитизированных (литейных) чугунах цементит (первичный, вторичный, третичный и цементит ледебурита), а также частично или полностью цементит перлита графитизирован по схеме Fe₃C → 3 Fe + Г(графит), т.е. углерод находится частично или полностью (за исключением растворенного) в свободном состоянии в виде графита (Рисунок 4).

В зависимости от скорости охлаждения, при отжиге получают ферритный, ферритно-перлитный или перлитный чугуны в соответствии с заданной основой чугуна (ферритная, феррито-перлитная или перлитная сталь). При этом вид чугуна зависит от формы зерен графита. По форме графита различают: серые, ковкие и высокопрочные чугуны

Серые чугуны получают непосредственно при отливке из литейных белых чугунов. Однако охлаждение серого чугуна ведется медленно, и цементит, выделяющийся из жидкого или твердого раствора, будучи неустойчивым химическим соединением, в особенности при высоких температурах, распадается с образованием графита (см. рис. 4).

При температуре 1152^˚ С в заэвтекических чугунах

Fe₃C ₁→ Fe_γ(C) + С (графит) = А + Г

В диапазоне 1147 - 1738˚с при медленном охлаждении доэвтектических чугунов и выдержке при 738°с по этой же реакции распадается вторичный цементит и цементитная основа ледебурита

Fe₃C ₂→ Fe_γ(C) + С (графит) = А + Г

При быстром охлаждении после выдержки с этой точки получим перлитную основу чугуна.

При температуре несколько ниже 727⁰ распадается цементит перлита

Fe₃C → Fe _α(C) + С (графит) = Ф + Г

Рисунок 5.

Схема микроструктуры графитизированных литейных чугунов

В зависимости от выдержки получают феррито-перлитную заданного количественного соотношения или ферритную основу чугуна (см. Рисунок 5, 7-а).

При температуре ниже линии PS графит выделяется в виде пластин. Чем меньше скорость охлаждения, или чем дольше выдержка при постоянной температуре, тем в большей степени успевает произойти процесс графитизации вплоть до полного разложения соответствующей структурной составляющей цементита. Обычно весь самостоятельный цементит (первичный или вторичный) подвергают разложению. Однако иногда, в так называемых «половинчатых» чугунах, сохраняют частично ледебурит для повышения их твердости.

Чем выше температура и содержание углерода в чугуне, тем степень распада цементита обычно бывает больше. Графитизации чугуна способствуют элементы: Si, Al, Ni, Cu.

На шлифе перлитного чугуна темные крупные пластинки – графит. (см. рисунок 7).

Основное поле – пластинчатый перлит. Цементит вторичный и цементит ледебурита распался. Перлитный чугун применяется, например для изготовления поршневых колец тепловых двигателей.

Структура перлитно-ферритного серого чугуна включает темные завихрения пластинки – графит. Графит и феррит залегают вместе, т.к. они являются продуктами распада цементита.

В структуре ферритного серого чугуна темные крупные пластинки – графит; основное светлое пятно – феррит. Цементит полностью распался (см. рисунок 7-а).

По вопросу об образовании структур чугуна существует теория, что при очень медленном охлаждении графит и графитная эвтектика могут выделяться прямо из жидкости, а не всегда получаются в результате распада цементита.

Исходя из этой теории, при изучении микроструктуры серых чугунов следует наряду с диаграммой состояния железо-цементит пользоваться и диаграммой состояния железо-графит, изображенной на рис. 1 пунктирной линией. При средних скоростях охлаждения часть сплава может закристаллизоваться в соответствии с графитной, а часть – с цементитной (сплошные линии) системой (половинчатые чугуны).

Ковкий чугун получается из белого чугуна путем вторичной тепловой обработки, т.е. отжига. Графит при отжиге выделяется не в виде изогнутых пластинок, как в сером чугуне, а в виде хлопьев и называется графитом отжига (см. рис. 7-б).

В зависимости от режима охлаждения при отжиге получают ковкий ферритный, ферритно-перлитный и перлитный чугуны. Нужную структуру получают длительным отжигом специально выплавленного в электропечах белого чугуна (рис. 6).

Структура ферритного ковкого чугуна: основной светлый фон – зерна феррита, темные включения хлопьевидной формы – графит отжига.

Основная структура перлитного ковкого чугуна – перлитная. Темные хлопьевидные включения – графит.

Благодаря хлопьевидной форме графита ковкий чугун имеет более высокие механические свойства, прежде всего пластичность.

Высокопрочный чугун, в котором графитные включения имеют шарообразную форму, а структура металлической основы представляет собой феррит, или перлит и феррит, или перлит (см. рис. 7-в). Такой чугун получают модифицированием с помощью магния или церия жидкого белого литейного чугуна. Указанные модификаторы способствуют получению округлой формы графита.

Шаровидная форма графита в меньшей степени нарушает сплошность металлической основы (особенно по сравнению с графитом пластинчатой формы). Прочностные и особенно пластические свойства этих чугунов наиболее высоки и: приближаются к углеродистым конструкционным сталям, после термической обработки. При этом, высокопрочные чугуны имеют более высокие литейные свойства, чем стали.

В перлитных ковких и высокопрочных чугунах зерна графита окружены светлой оболочкой мягкого, пластичного феррита – обезуглероженной до феррита приграничной зоны. Такая оболочка обеспечивает при высокопрочной перлитной основе высокую пластичность. В высокопрочном чугуне такая форма и расцветка графитного включения похожа на глаз. Поэтому, такую структуру называют «бычий глаз» (см. рис. 6-в).

а) б)

в)