5.3. Превращения в сплавах системы железо–графит

В сплавах с железом углерод встречается как в виде цементита, так и графита. Цементит образуется легко, а для формирования графита необходимо создать определенные условия. Атомы железа обладают более низкой подвижностью, чем углерод. Они не успевают удалиться (диффундировать) из участков, где может сформироваться графит, и тогда там зарождается и растет цементит.

Графит формируется и растет в участках, где происходит практически полное удаление атомов железа (диффузия): в условиях очень медленного охлаждения, наличия модификаторов или выдержки при высоких температурах. Образование графита возможно также при распаде цементита. Этот процесс является необратимым: при последующем нагреве сплава без плавления цементит не образуется.

Таким образом, существуют две диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов: Fe–Fe₃C (железо-цементит) и Fe–C (железо-графит). Обе диаграммы строятся в одной системе координат (рис. 5.11). Такой способ изображения дает возможность сравнивать обе диаграммы. Линии, которые не дублируются, относятся к обеим диаграммам: АВ, ВС, АН, NJ, HВ, GP, GS.

Диаграмма Fe–Fe₃C, в которой возможен необратимый распад цементита (при последующем нагреве цементит вновь не образуется), является условно равновесной (метастабильной). Поскольку в железоуглеродистых сплавах цементит устойчив при значительном и длительном нагреве, то диаграмму Fe–Fe₃C считают условно равновесной. Эта диаграмма используется при изучении сталей и белых чугунов – сплавов, в которых нет свободного углерода. Она была рассмотрена выше.

Диаграмма Fe–C, в которой невозможны необратимые процессы, называется равновесной (стабильной). Эта диаграмма используется при изучении структур железоуглеродистых сплавов, в которых углерод находится в виде графита (серые, ковкие, высокопрочные чугуны).

Рассмотрение обеих диаграмм принципиально не отличается. Во всех случаях вместо цементита выпадает графит (штриховые линии соответствуют выделению графита, сплошные – цементита). Однако фазовые превращения при наличии графита происходят при более высоких температурах (пунктирные линии диаграммы выше сплошных), критические точки диаграммы Fe–C отвечают меньшему содержанию углерода, чем аналогичные точки диаграммы Fe–Fe₃C (сдвинуты влево).

Г рафитизация – процесс образования в чугуне (стали) графита. Кристаллизация первичного графита начинается на линии C'D' и заканчивается на линии C'F'. По линии C'D', согласно правилу отрезков, изменяется состав жидкой фазы. При температуре 1153 °С (линия E'C'F') образуется графитная эвтектика: аустенит + графит. В интервале температур 1153–738 °С из аустенита выпадает вторичный графит. Состав аустенита изменяется по линии E'S'. При температуре 738 °С на линии S'K' образуется графитный эвтектоид: феррит + графит. Если при эвтектической кристаллизации выделяется только графит, то чугун называют серым, если графит и цементит, – половинчатым и если только цементит, – белым. Графит образуется только при очень малой скорости охлаждения, когда степень переохлаждения жидкой фазы невелика. Тогда вместо цементита в расплаве формируется графит и вместо эвтектики из аустенита с цементитом образуется эвтектика из аустенита с графитом, если в расплаве присутствует предварительно образовавшийся цементит, он также распадается на железо и графит.

При средних скоростях охлаждения часть сплава может закристаллизоваться по графитной, а часть по цементитной системе.

Ускоренное охлаждение частично или полностью прекращает кристаллизацию графита и способствует образованию цементита.

Первичный графит и графит в составе эвтектики кристаллизуются путем образования зародышей и их последующего роста. При этом кристаллы графита имеют сложную форму в виде лепестков, выходящих из одного центра. Вторичный графит и графит в эвтектоиде, как правило, выделяются на лепестках первичного и эвтектического графита.

О сновная масса графита в серых чугунах образуется в период кристаллизации из жидкой фазы. Графит, возникающий при распаде аустенита, наслаивается на имеющихся графитных включениях, увеличивая их размеры. Устойчивость цементита сильно снижают графитизирующие элементы – кремний и магний, способствующие его распаду на феррит и свободный углерод (графит). Марганец и сера препятствуют графитизации. Фосфор на графитизацию не влияет, но улучшает жидкотекучесть. Изменяя содержание кремния (0,5–5 %), можно получать чугуны, различные по структуре и свойствам.

Металлическая основа чугунов похожа на структуру эвтектоидной или доэвтектоидной стали. Чугун – сталь, пронизанная включениями графита. В зависимости от геометрической формы графита чугун может быть: серый – с пластинчатым, ковкий – с хлопьевидным, высокопрочный – с шаровидным графитом (рис. 5.12).

Графит играет роль надрезов, трещин в металлической основе и улучшает обрабатываемость чугуна резанием. Чугун имеет хорошие антифрикционные свойства – графит обеспечивает смазку поверхностей трения. Пустоты, заполненные графитом, хорошо гасят вибрации и препятствуют распространению упругих колебаний в металле; детали не чувствительны к поверхностным концентраторам напряжений (проточки, надрезы, отверстия, переходы в сечениях).

Ковкий чугун. Название условное, пластическому деформированию ковкий чугун не поддается. Получают ковкий чугун при длительном (более 2 суток) отжиге белого доэвтектического чугуна. Тонкостенные отливки с такой структурой получают при кристаллизации расплава с пониженным содержанием углерода (2,3–2,8 % С) и добавками хрома и марганца для подавления процессов графитизации.

Ковкий чугун на перлитной основе. Отливки выдерживают при 950–970 °С для разложения первичного цементита и образования хлопьевидного графита. Затем следует быстрое охлаждение (рис. 5.13, режим 1). Структура: перлит и минимум графита. Дополнительное медленное охлаждение в интервале температур перлитного превращения 760–720 °С (режим 2) способствует полному или частичному разложению вторичного цементита и цементита, входящего в состав перлита.

Т аким путем получается ферритный или феррито-перлитный ковкий чугун. Ковкий чугун применяется для деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках. Обозначается буквами КЧ и значениями предела прочности (_В = 300 МПа) и относительного удлинения ( = 6 %): КЧ 30–6.

Серый чугун. Изделия получают литьем, при этом модифицируют жидкий чугун ферросилицием или силикокальцием (в качестве графитизаторов) и обеспечивают малую скорость охлаждения отливки. При деформации растяжения на краях (по границам) пластинчатых графитовых включений концентрируются значительные напряжения, снижающие прочность чугуна. Поэтому из серого чугуна изготавливают детали, которые подвергаются только сжимающим и изгибающим нагрузкам: зубчатые колеса, гильзы и блоки цилиндров, поршневые кольца, подшипники скольжения. Серые чугуны обозначаются индексом СЧ и значением предела прочности (_В = 150 МПа): СЧ 15.

Высокопрочный чугун получают путем модифицирования расплава, подготовленного для получения серого чугуна. В жидкий чугун перед разливкой добавляют магний (до 0,05 % от массы отливки) в виде лигатуры (сплава магния с кальцием на основе ферросилиция), чтобы избежать его выгорания. Атомы магния образуют тонкий слой на поверхности растущего кристалла графита, увеличивая его поверхностную энергию (силу поверхностного натяжения). Стремление системы к минимуму свободной энергии приводит к тому, что графитовые включения формируются в виде шариков, так как геометрическая фигура в виде сферы имеет минимальную площадь поверхности при заданном объеме. Чугуны могут иметь ферритную, феррито-перлитную и перлитную металлическую основу. Механические свойства высокие, что вызвано равномерностью распределения напряжений в металлической основе из-за шаровидной формы графита. Изготовляют ответственные детали: тонкостенные отливки, шаботы молотов, коленчатые валы, зубчатые колеса. Высокопрочный чугун с пределом прочности 420 МПа и относительным удлинением 12 % обозначается ВЧ 42–12.

Отбеленные и другие чугуны. Более простая и менее затратная технология – получение чугуна с вермикулярной (червеобразной) формой графита с закругленными краями. Размеры отдельных изогнутых лепестков вермикулярного графита значительно меньше разветвленных графитовых пластинок серого чугуна. По механическим свойствам и степени износостойкости чугун с вермикулярным графитом занимает промежуточное положение между серым и высокопрочным. Используется для деталей, подвергаемых циклическим нагрузкам и частым сменам температур. Для формирования графита в жидкий чугун вводят комплексный модификатор из редкоземельных элементов.

Отбеленные чугуны – отливки, поверхностный слой которых состоит из белого чугуна, сердцевина – серый или высокопрочный чугун. Этот слой получают на толстостенных деталях при литье в металлические формы, обеспечивающие ускоренное охлаждение поверхности отливки. В поверхностном слое образуется много цементита, который обладает высокой износостойкостью. Чугуны используются для изготовления прокатных валков, бандажей вагонных колес с отбеленным ободом, износостойких зубьев, плит, шаров для дробильных агрегатов.

Легированные чугуны. Легирующие элементы влияют на металлическую основу чугунов, размеры и форму графитовых включений. Легированные чугуны подвергаются термической обработке для обеспечения необходимых свойств. Для деталей, работающих в условиях абразивного износа, используются белые чугуны, дополнительно легированные хромом, хромом и марганцем или хромом и никелем. Для деталей, работающих в условиях трения при повышенных температурах, используют высокохромистые и хромоникелевые чугуны.

Коррозионно-стойкие чугуны часто легируют никелем (1–1,5 %), хромом (0,2–0,6 %), молибденом (0,3–0,6 %) и медью (0,2–0,5 %).

Высоколегированные чугуны могут содержать до 12–18 % кремния (в их структуре образуются кремнистые сплавы – ферросилициды). Такие чугуны используются для изготовления деталей насосов, оборудования для концентрированных азотной и серной кислот и др.