7.3. Диаграмма состояния железо-графит

Диаграмма состояния железо-графит характеризует стабильное равновесие. Образование графита происходит в чугунах, содер­жащих значительное количество кремния. Углерод в виде графита выделяется непосредственно из жидкого расплава, из аустенита либо за счет распада предварительно образовавшегося цементита.

Диаграмма состояния железо-графит (рис. 54) показана пунктирными линиями, нанесенными на диаграмму состояния железо-цементит. Это позволяет сравнивать обе диаграммы.

Кроме общих линий АС, АЕ и GS остальные сплошные и пунктирные линии обеих диаграмм не совпадают. Эвтектическая и эвтектоидная температуры диаграммы стабильного равновесия Fe-С выше, чем для метастабильной диаграммы Fe-Fe₃C. В си­стеме Fe-С графитная эвтектика: аустенит + графит, содержа­щая 4,26 % С, образуется при 1153°С. По линии E'S' в интер­вале температур 1153-738 °С выделяется вторичный графит.

Эвтектоидное превращение в системе Fe-С протекает при температуре 738 °С. Эвтектоид, состоящий из феррита и графита, содержит 0,7 % С.

Пользование диаграммой состояния железо-графит принципиально не отличается от пользования диаграммой состояния железо-цементит. Вероятность образования метастабильного цементита из жидкой фазы или аустенита значительно выше, чем графита.

Л юбой процесс определяется термодинамическими и кинети­ческими условиями протекания. Движущей силой процесса графитизации является стремление системы уменьшить запас свободной энер­гии. Схема изменения свободной энер­гии жидкой фазы, смесей аустенита с цементитом и графитом при повышения температуры приведена на рис.55. Из схемы видно, что цемен­тит термодинамически менее устой­чивая фаза, чем графит. Однако разница между температурами Т₁ и Т₂ невелика и при сравнительно не­большом переохлаждении будет про­исходить кристаллизация цементита, а не графита.

Кристаллические структуры аустенита и цементита меньше различаются, чем кристаллические структуры аустенита и гра­фита. Учитывая, что графит полностью состоит из углерода, а цементит содержит его только 6,67 %, состав жидкой фазы и аустенита более близок к цементиту, чем к графиту. Поэтому образование цементита из жидкости или аустенита происходит кинетически значительно легче, чем графита.

Графит образуется только при малых скоростях охлаждения, в узком интервале температур, когда мала степень переохлажде­ния жидкой фазы. При ускоренном охлаждении и при переохла­ждении жидкого чугуна ниже 1147 °С происходит образование цементита.

7.4. Углеродистые стали

Сплавы железа с углеродом, содержащие до 2,14 % С (точка Е) при малом содержании других элементов, называются углероди­стыми сталями. Углеродистые стали завершают кристаллизацию образованием аустенита. В их структуре нет эвтектики (ледебу­рита), благодаря чему они обладают высокой пластичностью, особенно при нагреве, и хорошо деформируются.

Из всего объема производства стали до 90 % составляет угле­родистая сталь и лишь около 10 % происходит на долю легиро­ванной стали.

Углеродистые стали выплавляют в электропечах, мартеновские печах и кислородных конвертерах. Наилучшими свойствами обла­дает электросталь, более чистая по содержанию вредных приме­сей - серы и фосфора, а также газов и неметаллических включе­ний. Она идет для изготовления наиболее ответственных деталей.

По способу раскисления различают кипящие, полуспокойные и спокойные стали. При одинаковом содержании углерода кипя­щие, полуспокойные и спокойные стали имеют близкие величины прочностных свойств и различаются значениями характеристик пластичности. Содержание кремния в спокойной стали составляет 0,15-0,35, в полуспокойной 0,05-0,15, в кипящей до 0,05 %.

Для раскисления кипящей стали кремний и алюминий не при­меняют, ее раскисляют марганцем. Кипящая сталь имеет резко выраженную химическую неоднородность в слитке. Ее основным преимуществом является высокий (более 95 %) выход годного. Благодаря низкому содержанию кремния и углерода кипящие стали хорошо штампуются в холодном состоянии. Из-за повы­шенной концентрации кислорода кипящие стали имеют сравни­тельно высокий порог хладноломкости и их не рекомендуют при­менять для изделий северного исполнения.

У полуспокойной стали, раскисляемой марганцем и в ковше алюминием, выход годного составляет 90-95 %.

Спокойная сталь раскисляется кремнием, марганцем и алю­минием. Выход годного слитков спокойной стали около 85 %, но металл значительно более плотен и имеет более однородный хими­ческий состав.

Углеродистые стали содержат основной элемент - углерод, а также постоянные и скрытые примеси: марганец и кремний, фосфор, серу и газы (водород, азот, кислород).