9.2. Факторы, способствующие графитизации

Графитизацией называется процесс выделения графита при кри­сталлизации или охлаждении сплавов железа с углеродом. Гра­фит может образовываться как из жидкой фазы при затвердева­нии чугуна, так и из твердой фазы. Образование графита проис­ходит согласно диаграмме системы Fe-С. Ниже линии C'D' образуется первичный графит, по линии E'C'F' – эвтектический графит и по линии P'S'K' – эвтектоидный графит.

Графитизация чугуна зависит от ряда факторов. К ним относятся присутствующие в чугуне центры графитизации, скоростьохлаждения и химический состав чугуна.

Образование графита в объеме чугуна энергетически маловероятно, так как прирост свободной энергии при образовании новой межфазной поверхности больше, чем ее уменьшение при кристаллизации. Работа образования зародышей графита облег­ается при наличии центров графитизации - различных мельчайших включений и примесей, взвешенных в жидкой фазе и аустените. Такими мельчайшими частицами могут быть оксиды Аl₂O₃, SiO₂, нитриды типа AlN и нерастворившиеся частицы графита. Параметры кристаллической решетки центров графитизации должны быть близки к кристаллической решетке графита.

Влияние скорости охлаждения обусловлено тем, что графитизация чугуна является диффузионным процессом и протекает медленно. Значительная длительность процесса графитизации обусловлена необходимостью реализации нескольких стадий: об­разования центров графитизации в жидкой фазе или аустените, диффузии атомов углерода к центрам графитизации и роста вы­делений графита. При графитизации цементита добавляется необ­ходимость предварительного распада Fe₃C и растворения углерода в аустените. Чем медленнее охлаждение чугуна, тем большее развитие получает процесс графитизации.

В одной и той же отливке чугун может иметь различную струк­туру. В топких частях отливки, где выше скорость кристаллиза­ции и охлаждения, чугун имеет меньшую степень графитизации, чем в массивных. Быстрое охлаждение способствует получению белого чугуна, более медленное -серого чугуна.

В некоторых случаях для достижения высокой твердости и сопротивления износу специально получают отбеленную зону в чугунной отливке. Для этого в литейную форму вставляют ме­таллические холодильники, обеспечивающие высокую скорость затвердевания и охлаждения с образованием цементита. Так по­ступают при отливке чугунных лемехов, устанавливая холодиль­ники в тех местах, где расположены лезвие и носок.

Из примесей, входящих в состав чугуна, наиболее сильное положительное влияние на графитизацию оказывает кремний. Содержание кремния в чугуне колеблется от 0,5 до 4-5 % Меняя содержание кремния, можно получать чугуны, совершенно раз­личные по структуре и свойствам.

Из других элементов, входящих в состав чугуна, наиболее важную роль играют марганец, сера и фосфор.

Марганец препятствует графитизации, увеличивая склонность чугуна к отбеливанию. Содержание марганца в чугуне обычно не более 0.5-1.0 %.

Сера является вредной примесью в чугуне. Ее отбеливающее влияние в 5-6 раз выше, чем марганца. Кроме того, сера снижает жидкотекучесть, способствует образованию газовых пузырей, уве­личивает усадку и склонность к образованию трещин.

Влияние фосфора в чугуне существенно отличается от его влияния в стали. Хотя фосфор почти не влияет на графитизацию, он является полезной примесью, увеличивая жидкотекучесть серого чугуна за счет образования легкоплавкой (950-980 °С) фосфидной эвтектики.

Обычно используют чугуны следующего химического соста­ва, %: 3,0-3,7 С, 1-3 Si, 0,5-1,0 Мn, менее 0,3 Р и 0,15 S.

Иногда в чугун вводят легирующие элементы (Ni, Сг и др.), улучшая его свойства. В СССР имеются Орско-Халиловское и Елизаветинское рудные месторождения, дающие природнолегированные чугуны, содержащие, %: до 3 Сr, 1 Ni, 0,2 Ti или 0,2 V.

Таким образом, основными факторами, определяющими сте­пень графитизации чугуна, являются содержание углерода, крем­ния и скорость охлаждения. Регулируя химический состав и ско­рость охлаждения, можно получить в отливке нужную структуру чугуна.