2. Процес кристалізації сірих чавунів. Мікроструктури сірих чавунів.

Розглянемо, використовуючи діаграму стану стабільної системи залізо — графіт, кристалізацію доетектичного чавуну зі змістом вуглецю 3,5 % (див. мал. 2). До температури t₁ на лінії ліквідусу ВС сплав знаходиться в рідкому стані. В інтервалі температур від t₁ до 1153^оС з рідкого сплаву виділяються первинні кристали аустеніту.

Склад рідкого сплаву змінюється по лінії ліквідусу ВС, а кристалів аустеніту — по лінії солідуса JE'. По досягненні температури 1153^оС сплав складається з первинних кристалів (дендритів) аустеніту зі змістом вуглецю 2,11 % (точка Е') і рідкої фази евтектичного складу 4,26 % С (точка С). При температурі 1153^оС рідка частина сплаву кристалізується з утворенням графітної евтектики:

Рідина_4.26→Аустеніт_2.11 + Графіт

При охолодженні сплаву в інтервалі температур від 1153 до 738^оС з аустеніту, склад якого змінюється по лінії Е'S', що виділився вуглець утворить включення вторинного графіту. А потім при температурі 738^оС відбувається евтектоїдне перетворення аустеніту:

Aустеніт_0.69 → Ферит + Графіт

У результаті цього перетворення утвориться графітний евтектоїд.

Однак після повного охолодження в структурі чавуна неможливо диференціювати частки графіту евтектичного, евтектоїдного і вторинного, тому що частки вторинного і евтектоїдного графіту утворяться як на готових центрах кристалізації на частках графіту, що виник у першу чергу, тобто при температурі евтектики. У результаті структура сплаву істотно спрощується. Вона складається з зерен фериту і вигнутих пластин графіту. При розгляді його структури під мікроскопом будуть спостерігатися дві структурні складові: ферит і графіт.

Таку структуру будуть мати всі доевтектичні чавуни, кристалізація яких відбувається відповідно до діаграми стану залізо — графіт.

Кристалізація заевтектичних чавунів, що містять більше 4,26% С, буде відрізнятися тим, що спочатку в інтервалі температур між лінією ліквідусу D'C і евтектичною лінією Е'С' з рідкого сплаву буде виділятися первинний графіт і частина рідкого сплаву, Що залишилася, при температурі 1153^оС кристалізується з утворенням графітної евтектики. Таким чином, загальна кількість графітних включень у заевтектичному чавуні буде більше, ніж у доевтектичному. Після повного охолодження структура заевтектичного чавуна також складається з двох складових: фериту і графіту.

Таку ж структуру буде мати і евтектичний чавун (4,26% С).

Отже, відповідно до діаграми стану залізо — графіт структура всіх чавунів після повного охолодження повинна складатися з фериту і графіту. Ферит складає металеву основу чавуна, у яку украплені включення графіту (структурно вільний графіт).

3. Вплив складу і швидкості охолодження на структуру чавунів.

Практика виробництва чавунних виливків показує, що в реальних умовах кристалізації часто виходять чавуни, у структурі яких мається і графіт, і цементит. Кристалізація чавуна, що відбувається з утворенням графіту і цементиту, називається змішаною кристалізацією.

Для пояснення формування структур, у яких мається і графіт, і цементит, необхідно звернутися до діаграми стану з подвійними лініями і прийняти, що перетворення в сплавах у залежності від умов можуть здійснюватися як відповідно до діаграми стану залізо – графіт, так і відповідно до діаграми стану залізо — цементит.

Особливістю кристалізації графіту є те, що графіт у процесі утворення з рідкого чи твердого розчину цілком відокремлюється як неметалічна фаза, тобто втрачає зв'язок з металевою основою. Для утворення графітного включення потрібно наявність вільного простору (порожнини). Процес кристалізації графіту складається з відводу (самодифузії) атомів заліза від місць, у яких кристалізується графіт. Простір, що звільнилася, (порожнина) одночасно заповнюється графітом у результаті дифузії до цих місць атомів вуглецю. Дифузійні процеси, необхідні для кристалізації графіту, здійснюються повною мірою в умовах досить повільного охолодження.

Кристалізація цементиту з рідкого чи твердого розчину не вимагає повного відводу атомів заліза від місць, де зароджуються кристалики цементиту (цементит містить 6,67 % С, а графіт 100 % С). Тому утворення цементиту полегшується і може відбуватися в умовах прискореного охолодження. Отже, незважаючи на те, що графіт є цілком рівноважною фазою, а цементит — менш рівноважною фазою, утворення однієї чи іншої фази буде визначатися повнотою протікання дифузійних процесів, що, у свою чергу, залежить від швидкості охолодження сплаву. Чим нижче температура, тим повільніше повинне бути охолодження для того, щоб утворився графіт, тому що зі зниженням температури дифузійні процеси сповільнюються.

Пояснимо сказане схемою, представленої на мал.3.

Для того щоб кристалізація здійснювалася відповідно до діаграми стану залізо — графіт, сплав повинний прохолоджуватися так, як показано лінією. Чим нижче температура, тим менше повинна бути швидкість охолодження. В усіх випадках, коли охолодження відбувається швидше, ніж потрібно для утворення графіту (наприклад, зі швидкістю v₁), кристалізація сплаву протікає з утворенням цементиту, тобто відповідно до діаграми залізо — цементит. Якщо сплав прохолоджується досить повільно, наприклад, зі швидкістю v₂, то кристалізація протікає відповідно до діаграми стану залізо — графіт з утворенням графіту.

У випадках охолодження сплаву зі швидкостями v₃, v₄, v₅, v₆ (лінії, що визначають ці швидкості, перетинають лінію NN), при відповідних температурах t₃, t₄, t₅, t₆ характер кристалізації змінюється — замість графіту при більш низькій температурі виділяється цементит.

Ніж раніш і при більш високій температурі здійснюється зміна механізму кристалізації відповідно до діаграми стану залізо — графіт до кристалізації відповідно до діаграми стану залізо — цементит, тим більше буде в чавуні зв'язаного вуглецю (цементиту) і менше графіту.

У результаті змішаної кристалізації окремі частини виливка можуть мати різну структуру.