Основные теоретические представления

Чугуном называется железоуглеродистый сплав с содержанием углерода более 2,14% (последние данные 2,06%).

Промышленный чугун, кроме основных компонентов железа и углерода, содержит постоянные примеси (кремний, марганец, серу, фос­фор и др.), как правило, в больших количествах, чем углеродистая сталь.

Основой для изучения чугуна, как и стали, являются диаграммы состояния систем железо-цементит и железо-графит.

В зависимости от скорости охлаждения, содержания примесей, модифицирования и последующей термической обработки может быть получен чугун белый, серый, ковкий, высокопрочный.

Белый чугун не содержит графита; в его структуре углерод пол­ностью находится в химически связанном состоянии в виде цементита (карбида железа - Fe₃C).

В структуре серого, ковкого и высокопрочного чугуна углерод частично или полностью находится в свободном состоянии в виде графи­та различной формы. В сером чугуне форма графита пластинчатая (рис.1, а, б) в ковком - хлопьевидная (рис.1, в), в высокопрочном - шаро­видная (рис.1, г).

Рис.1. Схемы микроструктур серого

(а - крупный прямолинейный пластинчатый графит; б - мелкий завихренный пластинчатый графит), ковкого (в - хлопьевидный графит), высокопрочного

(г - шаровидный графит) в нетравленом состоянии, х135

При нормальной (комнатной) температуре чугун состоит из сле­дующих фаз; феррита, цементита и графита, образующих однофазные -феррит, цементит, графит и двухфазные структурные составляющие -перлит, ледебурит.

Феррит представляет собой ограниченный твердый раствор вне­дрения углерода в «α-железе, имеет объемноцентрированную кубическую кристаллическую решетку, твердость НВ600...800 МПа, очень пластичен, ферромагнитен до температуры 768°С. На диаграмме состояния железо-цементит занимает две области AHN и GPQ. Максимальное содержание углерода в феррите составляет 0,025% при температуре 727°С (точка Р диаграммы) и 0,0067% при нормальной температуре (точка Q диаграм­мы). Микроструктура феррита состоит из однородных зерен светлой или зачастую различной окраски, что объясняется неодинаковой травимостью зерен, срезанных по различным кристаллографическим плоскостям при изготовлении микрошлифа (анизотропия свойств кристаллов).

Цементит - химическое соединение Fe₃C- представляет собой карбид железа, содержащий 6,67% углерода, имеет сложную кристалли­ческую решетку с плотной упаковкой атомов, обладает высокой твердо­стью НВ10000 МПа и хрупкостью. После обычного травления с использо­ванием универсального реактива - 4% раствора азотной кислоты в эти­ловом спирте - цементит, как и феррит, просматривается в микроскопе в виде светлых участков. Вследствие слабой растворимости цементита в кислотах его участки в структуре выступают над окружающим ферритом и остаются более гладкими и блестящими по сравнению с ферритом. Для четкого выявления цементита можно применять специальное травление пикратом натрия, после которого цементит окрашивается в темный цвет, а феррит остается светлым. Различают первичный цементит (Ц), кри­сталлизующийся из жидкой фазы в виде игл или пластин у* сплавов, со­держащих более 4,3% углерода; вторичный (Ц_ц), выделяющийся при вторичной кристаллизации из аустенита по границам его зерен у сплавов с содержанием углерода более 0,8%; третичный (Цш), выделяющийся при кристаллизации из феррита по границам его зерен у всех сплавов с содержанием углерода более 0,0067%. Начало первичной кристаллиза­ции цементита соответствует температурам линии DC диаграммы состоя­ния железо-цементит (1252-1147°С), начало выделения вторичного це­ментита - температурам линии ES (1147-727°С), начало выделения тре­тичного цементита - температурам линия PQ (727-20°С).

Перлит представляет собой эвтектоидную смесь двух фаз - фер­рита и цементита, которая образуется при температуре линии PSK диа­граммы (727°С) в результате эвтектоидного превращения по реакции

727°С
А_0,8%С--------► П_0,8%С( Ф_0,025%С + Ц_6,67%С)

В зависимости от формы цементита различают пластинчатый перлит с межпластиночным расстоянием более 0,3 мкм, получаемый в результате отжига, и зернистый, получаемый путем специальной терми­ческой обработки. Твердость НВ пластинчатого и зернистого перлита составляет соответственно 2000-2500 МПа и 1600-2200 МПа и зависит от степени измельченности (дисперсности) цементита. Другие характери­стики механических свойств перлита также обусловливаются свойствами его фазовых составляющих и зависят от степени дисперсности цементи­та. Чем крупнее составляющие перлит пластины цементита и феррита, тем ниже уровень его механических свойств, причем у крупнопластинча­того перлита снижаются характеристики и прочности, и пластичности.

После обычного травления пластинчатый перлит под микроско­пом просматривается в виде чередующихся светлых пластинок феррита и цементита, причем ширина цементитных пластинок приблизительно в 7 раз меньше ширины пластинок феррита. При уменьшении увеличения микроскопа в связи со слиянием растравленных границ между ферритом и цементитом последний просматривается в виде темных пластин, поче­му очень часто на схеме микроструктуры перлит изображают в виде чередующихся светлых пластин феррита и темных пластин цементита. При совсем малых увеличениях перлит просматривается в виде зерен серого цвета. Зернистый перлит под микроскопом просматривается в виде свет­лых включений цементита округлой формы на светлом фоне феррита. Строение перлита целесообразно рассматривать при увеличениях не ме­нее 500 раз.

Ледебурит представляет собой двухфазную смесь аустенита (или перлита) и цементита. Ледебурит - эвтектическая двухфазная смесь ау­стенита и цементита - образуется при температуре линии ECF (1147°С) диаграммы в результате эвтектического превращения по реакции

1147°С

Ж_4,3%С----------►А_2,14%С ⁺ Ц_6,67%С. Выявленный металлографически как смесь, ледебурит по своей природе представляет собой бикристаллическое образование, двухфазный бикристалл.

При дальнейшем охлаждении в соответствии с линией ES диа­граммы происходит выделение из аустенита вторичного цементита и по­сле достижения аустенитом эвтектоидного состава при температуре ли­нии PSK (727°С) - эвтектоидное превращение, в связи с чем при темпера­турах ниже 727°С ледебурит представляет собой двухфазную смесь пер­лита и цементита. Ледебурит тверд (≈ НВ7000 МПа) и хрупок. Под микро­скопом ледебурит просматривается в виде темных включений перлит? На светлом фоне цементита.

Графит представляет собой аллотропическую модификацию углерода с кристаллической решеткой типа гексагональной, имеет слои­стое строение, ничтожно малые значения прочностных характеристик, его влияние на металлическую основу чугуна сказывается подобно дей­ствию надрезов. Графит обладает смазывающим действием, усиливает демпфирующие свойства, под микроскопом имеет вид темных включе­ний.

Все чугуны, кроме белого, получаются в результате графитизации и, как конструкционный материал, находят широкое применение в машиностроении.

Процесс кристаллизации графита как из жидкой фазы при за­твердевании чугуна, так и из твердой фазы (аустенита) называется графитизацией.

Образование структуры чугуна в процессе графитизаций можно рассматривать по двойной - совмещенной диаграмме состояния систем железо-графит и железо-цементит, а также с успехом можно объяснить по диаграмме состояний железо-цементит.

На процесс кристаллизации графита, в основном, оказывают влияние химический состав чугуна и скорость охлаждения.

Химические элементы, входящие в состав чугуна, оказывают различное влияние на процесс графитизации.

Углерод способствует процессу графитизации чугуна. Кремний -графитообразующий элемент - способствует кристаллизации графита из жидкого и твердого растворов или разложению цементита при нагреве по реакции Ц--►А+Г, Наличие в чугуне элементов - алюминия, никеля, меди, оксидов Si0₂, AI₂0₃, нитридов AIN, ВN, нерастворившихся частиц графита, также благоприятно влияет на графитизацию чугуна. Сера и марганец при повышенном содержании тормозят образование графита и, подобно ускоренному охлаждению, вызывают "отбел" в чугуне (кристал­лизацию цементита).

Быстрое охлаждение препятствует графитизации чугуна. Мед­ленное охлаждение оказывает положительное влияние на процессы гра­фитизации, и чем меньше скорость охлаждения, тем более полно они завершаются. Поэтому для получения структуры серого чугуна в его со­став вводится 2,5-4% углерода, 1-4% кремния и осуществляется медлен­ное охлаждение отливок в литейных формах. При затвердевании и мед­ленном охлаждении серого чугуна графит пластинчатой формы выделя­ется как из жидкой фазы, так и из твердого раствора -- аустенита. Струк­тура чугуна после графитизации, разумеется, будет состоять из металли­ческой основы и неметаллических графитных включений. Металлическая основа чугуна после графитизации определяется по диаграмме состояния железо-цементит в зависимости от содержания в чугуне оставшегося связанного углерода в виде цементита.

В железоуглеродистых сплавах, кроме описанного процесса об­разования графита при кристаллизации серого чугуна, возможен и дру­гой путь графитизации. Образовавшийся в структуре белого чугуна це­ментит является неустойчивым (нестабильным) соединением и при опре­деленных условиях (нагреве) может распадаться с образованием аустенита и графита. Поэтому в белом чугуне при температуре выше линии PSK и соответствующей выдержке будет происходить графитизация--распад цементита, растворение атомов углерода в аустените, диффузия атомов углерода к центрам кристаллизации и рост графитных включений хлопьевидной формы. В результате структура будет состоять из зерен аустенита и графитных включений. При дальнейшем достаточно медлен­ном охлаждении 10-20°/час можно добиться распада аустенита с образо­ванием феррито-графитной структуры ковкого чугуна. Если скорость охлаждения будет значительно выше, аустенит переохладится до линии PSK (727°С) и превратится в перлит. В этом случае путем замедленного охлаждения или длительной изотермической выдержки ниже линии PSK можно достигнуть полного разложения эвтектоидного цементита, входя­щего в перлит, и получения также структуры ковкого чугуна с ферритной металлической основой и хлопьевидным графитом.

Процесс графитизации при надлежащих температурах широко используется для регулирования металлической основы и свойств высо­копрочного чугуна.

1. Микроструктурный анализ чугуна