2.7.3. Діаграма стану залізо-графіт

Перетворення, що відбуваються під час графітизації чаву­ну, можна простежити за діаграмою стабільної рівноваги залі­зографіт (рис. 2.7.1, штрихові лінії). Для порівняння суціль­ними лініями зображена діаграма метастабільної рівноваги

залізо-вуглець. У стабільній системі на лінії ліквідує CD' із рідкого розчину виділяється первинний графіт. При темпера­турі 1153 °С (лінія E'C'F') із рідкого розчину, що має концент­рацію вуглецю 4,26 %, утворюється графітова евтектика (А_£ +Г):

В інтервалі температур між лініями E'C'F' і P'S'K' із аустеніту виділяється вторинний графіт на лінії E'S'. При температурі 738 °С (лінія P'S'K') аустеніт з концентрацією вуглецю 0,7 % розпадається з утворенням евтектоїду, що складається із фери­ту й графіту:

Кристали графіту мають вигляд пелюсток, що виходять з одного центра. Вторинний графіт й графіт евтектоїду, як пра­вило, виділяються на утвореннях первинного й евтектичного графіту.

2.7.4. Вплив домішок і швидкості охолодження на структуру та властивості чавунів

Постійні домішки (кремній, марганець, сірка та фосфор), а також швидкість охолодження істотно впливають на процес графітизації.

Кремній найбільше посилює графітизацію чавуну і під час первинної кристалізації, і під час розкладання цементиту. Під­вищуючи вміст кремнію, можна збільшувати кількість графіту й зменшувати кількість цементиту, наближаючись до створен­ня чавуну з феритною металевою основою. Зменшуючи частку кремнію, можна сформувати структуру чавуну з перлітною ос­новою.

Марганець протидіє графітизації, сприяючи утворенню це­ментиту. Водночас він дещо поліпшує механічні властивості виливків.

Сірка — шкідлива домішка, що погіршує механічні й ливарні властивості чавуну. Вона сильніше від марганцю протидіє графі­тизації й сприяє виділенню цементиту. Крім цього, сірка знижує

рідкоплинність чавуну, збільшує усадку, підвищує схильність до утворення газових бульбашок і тріщин. З цієї причини вміст сірки в чавунах дуже обмежують.

Фосфор практично не впливає на графітизацію. Його викорис­товують у чавунах для підвищення рідкоплинності, твердості та зносостійкості. Фосфор розчиняється у фериті до граничної концентрації 0,3 %. Коли концентрація більша, фосфор крім твердого розчину утворює з вуглецем і залізом потрійну легко­плавку евтектику. Залежно від кількісного співвідношення ком­понентів температура плавлення евтектики коливається від 950 до 980 °С. Структура фосфідної евтектики характеризується під­вищеною твердістю. Чавуни з високою концентрацією фосфору широко використовують для художнього лиття.

З-поміж легувальних (тобто спеціально введених) елемен­тів найпомітніший вплив на графітизацію мають мідь, нікель і хром. Мідь і нікель інтенсифікують графітизацію, а хром її по­слаблює.

Дрібні тверді частинки, зрівноважені в рідкому розчині, сприяють виділенню графіту, будучи центрами графітизації.

Збільшення швидкості охолодження, як уже зазначалося, спричинює все більше відхилення від рівноважних умов крис­талізації: гальмує виділення графіту й сприяє утворенню це­ментиту.

Крім швидкості охолодження, сильно впливають на графі­тизацію чавуну вуглець і кремній. Зі збільшенням їх сумарної частки графітизація посилюється. Щоб спрогнозувати резуль­тат формування металевої основи чавуну, користуються струк­турною діаграмою (рис. 2.7.2), яка показує залежність між су­марною масовою часткою вуглецю й кремнію (C+Si) та швидкі­стю охолодження (товщиною стінки виливка І). Масова частка марганцю, фосфору й сірки в досліджуваному чавуні залиша­ється незмінною. Поле діаграми поділене на п'ять ділянок. Ді­лянка / відповідає найбільшій швидкості охолодження, при якій створено умови для формування білого чавуну зі структурою перліт + вторинний цементит + ледебурит видозмінений. На ділянці V швидкість охолодження найменша, що сприяє пов­ній графітизації та утворенню чавуну з феритною металевою основою, де практично весь вуглець перебуває у вигляді графіту.

6

5

4

Рис. 2.7.2. Структурна діаграма впливу швидкості охолодження чавунів

(товщини стінки виливка /) і суми С + Si на структуру:

І — білі; // — половинчасті; /// — пєрлітні; IV — феритно-перлітні;

V — феритні чавуни

Ділянка // зайнята половинчастим чавуном, у перлітній основі якого маємо вторинний цементит і графіт. Кількість зв'язаного вуглецю в половинчастому чавуні перевищує 0,8 %. Ділянка /// містить чавун з перлітною основою й графітом. У цьому чавуні кількість зв'язаного вуглецю становить ~ 0,8 %. На ді­лянці IV маємо чавун зі структурою ферит + перліт + графіт. Тут кількість зв'язаного вуглецю менша за 0,8 %.

Таким чином, регулюючи сумарну частку вуглецю і крем­нію та швидкість охолодження, можна досягти бажаної струк­тури металевої основи сірого чавуну.