3. Строение и механические свойства графитных чугунов

В графитных чугунах, в отличие от белых, весь углерод или часть его находится в свободном состоянии.

Графитные чугуны делятся на три вида: серые, высокопрочные, ковкие.

3.1. Серый чугун

Серые чугуны образуются при медленном охлаждении расплава и при добавке Si, Ni, Al и др.

При непосредственной кристаллизации графит выделяется из жидкой фазы преимущественно в форме лепестков или пластин. Чугун с такой формой графита называется серым (рис. 5).

Рис. 5. Серый чугун (темные графитные пластинки на светлом фоне непротравленного шлифа) (250)

Форма и распределение графитных включений оказывают существенное влияние на механические свойства чугуна. С уменьшением размеров графитных включений и увеличением степени изолированности их друг от друга повышается прочность чугуна. Серый чугун характеризуется низкими значениями пластичности и ударной вязкости, так как пластинки графита нарушают сплошность металлической основы и тем самым ухудшают механические свойства чугуна.

Характер металлической основы является вторым структурным фактором, оказывающим существенное влияние на свойства графитных чугунов. Такие показатели, как твердость и предел прочности на сжатие, зависят в основном от структуры металлической основы, которая может быть ферритной, перлито-ферритной и перлитной (рис. 6а, б, в).

Структуру серых чугунов сначала определяют на нетравленых шлифах, для четкого выявления графитных включений. Хрупкие графитные включения, залегающие в поверхностном слое металлической основы, при приготовлении шлифа выкрашиваются, и поэтому участки, в которых они находились, будут казаться темными.

а)
б)
в)

Рис. 6. Микроструктура серых чугунов на ферритной (а), перлито-ферритной (б) и перлитной (в) основе ( 250)

Перлитный чугун обычно имеет большую прочность и меньшую пластичность в сравнении с ферритным.

Металлическую основу чугунов изучают после травления микрошлифов обычными реактивами (3 – 4% раствор HNO₃ в метиловом спирте).

В чугунах с повышенным содержанием фосфора (специально введенного для повышения литейных свойств) кроме известных структурных составляющих можно наблюдать присутствие фосфидной эвтектики (рис. 7).

Эвтектика в момент затвердевания состоит из аустенита, обогащенного фосфором, цементита и фосфида железа (Fe₃P). Наличие участков фосфидной эвтектики повышает твердость и износостойкость чугуна.

Рис. 7. Микроструктура серого чугуна на перлитной основе (250)

3.2. Высокопрочный чугун

В высокопрочных чугунах графит имеет не пластинчатую, а глобулярную форму (рис. 8, 9). Такой чугун получается при введении в жидкий расплав в качестве модификатора магния (реже церия). При повышенной прочности модифицированный чугун имеет удовлетворительные показатели пластичности (относительное удлинение до 1,5%).

Рис. 8. Глобулярный графит в высокопрочном чугуне

(шлиф непротравленный) ( 250)

Рис. 9. Микроструктура высокопрочного чугуна ( 250)

Металлическая основа может быть ферритной, феррито-перлитной и перлитной. Высокая прочность чугуна обеспечивается благоприятной формой графитных частиц и структуры металлической основы. Высокопрочные чугуны применяются для изготовления деталей машин, работающих на износ и подвергаемых ударным и знакопеременным нагрузкам (зубчатые колеса, коленчатые валы, поршневые кольца и т.д.).