6.4 Образование графитных включений в чугунах.

В чугунах, отличающихся от сталей повышенным содержанием углерода, углерод может находится не только в связанном состоянии (в виде цементита), но и в свободном состоянии, т.е. в виде графитных включений различной формы. Эти включения могут образовываться как из жидкой фазы, при кристаллизации расплава, так и из твёрдой фазы (цементита) при его нагреве и длительной выдержке. Процесс образования графитных включений в чугунах называют графитизацией.

На процесс графитизации существенное влияние оказывает скорость охлаждения жидкого расплава. Если расплав охлаждается достаточно быстро, атомы углерода не успевают собраться в графитные включения и в сплаве наблюдается образование цементита. Не смотря на то, что цементит является менее устойчивой, чем графит, фазой, его химический состав (6,67 % С) ближе к химическому составу жидкого расплава, чем химический состав графита (100 % С). Поэтому при высоких скоростях охлаждения расплава цементит образуется с большей вероятностью, чем графит. При медленном (равновесном) охлаждении жидкого расплава создаются условия благоприятные для диффузии атомов углерода и образования в структуре сплава графитных включений.

Процессу графитизации чугунов способствует наличие в жидком расплаве не растворившихся частиц графита и частиц SiO₂, Al₂O₃, AlN. Все эти неметаллические включения при кристаллизации чугунов могут играть роль центров графитизации.

На процесс графитизации также существенное влияние оказывает химический состав чугунов. Так кремний, являющийся постоянной примесью в чугунах, способствует процессу графитизации, а марганец, напротив, препятствует. Изменяя соотношение в сплаве Si и Mn, можно управлять процессом графитизации. Содержание Si в графитных чугунах может достигать 4 - 5%, а Mn должно быть не более 1%. Сера также препятствует процессу графитизации и ведёт к отбеливанию чугунов. Её отбеливающее влияние в 5-6 раз сильнее влияния Mn. В то же время, S снижает жидкотекучесть чугунов, повышает усадку, склонность к образованию трещин и пузырей. По этой причине сера в чугунах является кране нежелательной, вредной примесью. Фосфор, напротив, повышает жидкотекучесть чугунов и практически не влияет на процесс графитизации. Фосфор в чугунах не считается вредной примесью.

6.5 Микроструктура и свойства чугунов.

Чугуны, в зависимости от того, в каком состоянии находится в них углерод, подразделяются на белые и графитные. В белых чугунах углерод находится преимущественно в связанном состоянии, т.е. в виде цементита – химического соединения Fe₃C. Из-за цементита эти чугуны выглядят на изломе белыми, блестящими. Они отличаются повышенной хрупкостью и твёрдостью. Их структуру отражает метастабильная диаграмма состояния «железо-цементит». По структуре белые чугуны подразделяются на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические. Доэвтектические чугуны содержат от 2,14 до 4,3% углерода и состоят из зёрен перлита, вторичного цементита и ледебурита. Эвтектические чугуны содержат 4,3% углерода и состоят из зёрен ледебурита, т.е. механической смеси перлита с цементитом. Заэвтектические белые чугуны содержат более 4,3% углерода и в структуре, помимо ледебурита, обнаруживают кристаллы первичного цементита.

В графитных чугунах углерод находится преимущественно в свободном состоянии, т.е. в виде графитных включений различной формы. Из-за графита эти чугуны на изломе выглядят серыми и марают руки. Графитные чугуны отличаются от белых чугунов меньшей твердостью и прочностью. Структуру этих чугунов отражает стабильная диаграмма состояния «железо-графит».

Графитные включения в чугунах могут иметь либо пластинчатую, либо шаровидную, либо хлопьевидную форму. Чугуны с пластинчатой формой графитных включений называют серыми, с шаровидной - высокопрочными, с хлопьевидной - ковкими.

Графитные включения располагаются в некоторой металлической матрице, которая может быть либо ферритной, либо перлитной, либо феррито-перлитной. Таким образом, структура графитных чугунов напоминает структуру доэвтектоидных либо эвтектоидных сталей, но с графитными включениями различной формы.

Графитные включения имеют малую прочность, твердость и снижают прочностные характеристики материала. Преимущественно по этим включениям происходит разрушение чугунов. При нагружении чугунов графитные включения играют роль концентратов напряжений. Наилучшими концентратами напряжений являются относительно «острые» включения пластинчатой формы, а наихудшими - включения шаровидной формы. По этой причине серые чугуны имеют меньшую прочность, чем высокопрочные чугуны. Ковкие чугуны занимают в этом ряду промежуточное положение.

Графитные включения играют не только отрицательную роль. Благодаря смазывающему эффекту графита у графитных чугунов отмечаются хорошие антифрикционные свойства и они хорошо работают в паре трения. Графитные чугуны хорошо гасят удары и вибрации и поэтому используются для изготовления станин различных молотов, прессов и станков. Кроме того, графитные чугуны имеют высокие литейные характеристики.

Серые чугуны получают при медленном охлаждении жидкого расплава, содержащего достаточное количество кремния. Серый чугун обычно используют как литейный сплав.

Высокопрочный чугун получают путём модифицирования жидкого расплава, т.е. введения в него магния, алюминия и кальция. Такой чугун применяют для изготовления зубчатых колес и валов.

Ковкий чугун получают из белого доэвтектического чугуна посредством его длительного графитизирующего отжига (томления). При температурах выдержки белого чугуна свыше 950С происходит распад цементита, содержащегося в чугуне, на феррит и графит. При этом образующиеся включения графита приобретают хлопьевидную форму.

Серый чугун маркируется буквами СЧ и цифрами. Первая группа цифр означает предел прочности чугуна на растяжение в кгс/мм², а вторая – предел прочности на изгиб.

Высокопрочные чугуны маркируют буквами ВЧ и цифрами, означающими предел прочности чугуна на растяжение в кгс/мм².

Ковкие чугуны маркируются буквами КЧ и цифрами. Первая группа цифр означает предел прочности чугуна на растяжение в кгс/мм², а вторая – относительное удлинение в %.

Например: СЧ20-10, ВЧ60, КЧ40-12.