Диаграмма состояния системы железо углерод является одной из важнейших диаграмм двойных систем, потому что наиболее распространенные в технике сплавы стали (стр. 6 из 9)
Наличие графита наиболее резко снижает сопротивление при жестких способах нагружения: удар; разрыв. Сопротивление сжатию снижается мало.
а б
в
Рис. 13. Основные формы выделения графита в чугунах: а –пластинчатый в сером чугуне; б - шаровидный в высокопрочном чугуне; г – хлопьевидный в ковком чугуне.
Графитные выделения в перечисленных чугунах бывают окружены различной по структуре металлической основой, которую иногда называют матрицей. Она может быть ферритной (рис. 14а), перлитной (рис. 14б) или феррито-перлитной (рис. 14в).
Процесс образования графита в сплавах железа с углеродом называется графитизацией.
Графит – это полиморфная модификация углерода. Так как графит содержит 100 % углерода, а цементит – 6,67 %, то жидкая фаза и аустенит по составу более близки к цементиту, чем к графиту. Следовательно, образование цементита из жидкой фазы и аустенита должно протекать легче, чем графита.
а б
в
Рис. 14. Основные виды матриц в чугунах: а –ферритная; б - перлитная; г – феррито-перлитная.
С другой стороны, при нагреве цементит разлагается на железо и углерод. Возможны два пути образования графита в чугуне.
1. При благоприятных условиях (наличие в жидкой фазе готовых центров кристаллизации графита и очень медленное охлаждение) происходит непосредственное образование графита из жидкой фазы.
Присутствие перлита в сером или высокопрочном чугуне должно свидетельствовать о том, что кристаллизация этих чугунов протекала частично по стабильной, а частично по метастабильной диаграмме состоянии Fe-C.
Как было показано ранее, диаграмма состояния Fe-C приводится в двойном варианте: сплошным линиям соответствует диаграмма метастабильная или цементитная, пунктирным (совместно с некоторыми сплошными) – стабильная или графитная.
Трехфазное равновесие аустенит – жидкая фаза – графит (линия F' С' F') наблюдается при температуре 1153° С, в то время как равновесие аустенит – жидкая фаза – цементит (линия Е С F) имеет место при меньшей температуре 1147° С.
Аналогично этому в твердом состоянии трехфазное равновесие феррит – аустенит – графит (линия P' S' K') наблюдается при температуре738° С, а равновесие феррит – аустенит – цементит при температуре 727° (линия P S K).
Следовательно, эвтектическое превращение с образование графита термодинамически возможно только в том случае, если жидкая фаза переохлаждена до интервала температур 1153 - 1147° С, а эвтектоидное превращение с образование графита – если аустенит переохлажден до интервала температур 738 - 723° С. в обоих случаях выделение графита происходит при малом переохлаждении жидкой фазы и аустенита.
При температурах ниже 1147° С и 727° С распадающаяся материнская фаза (жидкая или аустенит) может претерпевать превращение с образованием цементита (ледебурит, перлит), хотя образование графита не исключено.
Образование ледебурита ниже 1147° С и перлита ниже 727° С будет облегчаться кинетическими факторами, заключающимися в том, что зародышевые центры цементита имеют состав намного ближе к составу жидкой фазы или аустенита, чем зародышевые центры графита. Вместе с тем рост зародышей графита затрудняется необходимостью отвода атомов железа. Таким образом, при повышенных степенях переохлаждения возникновение структур с цементитом происходит намного легче, нежели с графитом. Отсюда можно сделать важный вывод: медленное охлаждение чугуна способствует образованию структур с графитом, а ускоренное охлаждение – с цементитом. В промышленных отливках разная скорость охлаждения может создаваться искусственно в зависимости от материала формы (металлическая или песчаная), в которой кристаллизуется чугун. Разная скорость охлаждения отдельных частей отливки также обусловливается различной их толщиной, что будет сказываться на структуре чугуна.
Однако кристаллизация чугунов зачастую осложняется рядом других обстоятельств, в связи с которыми необходимо искать объяснения структуры отливки, сформировавшейся в практических условиях.
Так кристаллизация графита намного облегчается в том случае, если в жидкой фазе имеется подходящая «подкладка» для образования зародышей. Такой подкладкой чаще всего являются мельчайшие частицы самого графита, остающиеся в жидкой фазе при переплавках чугуна.
2. При разложении ранее образовавшегося цементита. При температурах выше 738° С цементит разлагается на смесь аустенита и графита по схеме:
.При температурах ниже 738° С разложение цементита осуществляется по схеме:
.При малых скоростях охлаждение степень разложения цементита больше.
Графитизацию из жидкой фазы, а также от распада цементита первичного и цементита, входящего в состав эвтектики, называют первичной стадией графитизации.
Выделение вторичного графита из аустенита называют промежуточной стадией графитизации.
Образование эвтектоидного графита, а также графита, образовавшегося в результате распада цементита, входящего в состав перлита, называют вторичной стадией графитизации.
Структура чугунов зависит от степени графитизации, т.е. от того, сколько углерода находится в связанном состоянии.
Рис. 15. Схема образования структур при графитизации
Выдержка при температуре больше 738° С приводит к графитизации избыточного нерастворившегося цементита. Если процесс завершить полностью, то при высокой температуре структура будет состоять из аустенита и графита, а после охлаждения – из перлита и графита.
При незавершенности процесса первичной графитизации, выше температуры 738° С структура состоит из аустенита, графита и цементита, а ниже этой температуры – из перлита, графита и цементита.
При переходе через критическую точку превращения аустенита в перлит, и выдержке при температуре ниже критической приведет к распаду цементита, входящего в состав перлита (вторичная графитизация). Если процесс завершен полностью то структура состоит из феррита и графита, при незавершенности процесса – из перлита, феррита и графита.
Кремний является энергичным графитизатором, и увеличение содержания его в сплаве облегчает кристаллизацию с образованием графита. Марганец затрудняет графитизацию и способствует отбеливанию чугуна. Сера способствует отбеливанию чугуна и ухудшает литейные свойства, ее содержание ограничено – 0,08…0,12 %. Фосфор на процесс графитизации не влияет, но улучшает жидкотекучесть, Фосфор является в чугунах полезной примесью, его содержание – 0,3…0,8 %. Модифицирование чугуна (например, ферросилицием в смеси с алюминием) облегчает кристаллизацию графита и измельчает его выделения, в результате чего улучшается структура отливки
Таким образом, в зависимости от химического состава и скорости охлаждения чугуна при кристаллизации удается получить в отливках желаемую структуру, а следовательно, необходимые механические и другие свойства.
Рассмотрим теперь некоторые особенности структуры и свойств различных чугунов.
3.3 Белый чугун
Белый чугун отличается от других отсутствием графита и наличием большого количества цементита. Наиболее характерной структурной составляющей белого чугуна является эвтектика (ледебурит). Ввиду большого количества цементитной фазы белым чугунам присуща высокая твердость и хрупкость, поэтому в машиностроении они находят ограниченное применение и идут главным образом в передел на сталь.
В машиностроении применяется так называемый отбеленный чугун, у которого поверхностные слои отливки имеют структуру белого чугуна, а внутренние - серого. Такая сложная структура отливки создается комбинированной формой, в которой происходит кристаллизация чугуна. В тех местах, где должен получиться белый чугун, расплав соприкасается с металлической формой (кокилем), обеспечивающей высокую скорость охлаждения. Внутренние части отливки кристаллизуются при меньшей скорости охлаждения, которая создается песчаной формой, выполненной из специальной формовочной смеси (песок, глина и другие составляющие).
Для повышения сопротивления износу от трения на поверхности некоторых изделий оборудования металлургических заводов наплавляется тонкий слой белого чугуна.
3.4.Серый чугун
Как было указано ранее, серый чугун имеет в структуре графит в виде тонких, чаще всего длинных и изогнутых, пластинок, окруженных ферритной, перлитной или феррито - перлитной основой. Этот чугун находит широкое применение в машиностроении.
Серые чугуны содержат углерода – 3,2…3,5 %; кремния – 1,9…2,5 %; марганца –0,5…0,8 %; фосфора – 0,1…0,3 %; серы – < 0,12 %.
Механические свойства серого чугуна зависят от общего количества графита и его формы, а также от структуры основы.
Во всех случаях графит ухудшает механические свойства чугуна, снижая его прочность, пластичность и вязкость (в сравнении со свойствами стали). Графитные выделения подобно внутренним надрезам создают местные, зачастую очень значительные, перенапряжения и вызывают преждевременное разрушение чугуна. Графит резко снижает сопротивление отрыву, поэтому чем больше общее количество графита, чем длиннее и тоньше его пластинки, тем ниже показатели пластичности, вязкости и прочности при растяжении. В целях улучшения механических свойств серых чугунов металлурги стремятся получить в отливках малое количество графита с наиболее благоприятной структурной формой его выделений (мелкие выделения в модифицированном чугуне и шаровидная форма в высокопрочном чугуне).