Вопрос 2. Способы получения чугунов различных типов и их маркировка. Процесс графитизации. Факторы, способствующие графитизации

Чугунами называются сплавы железа (Fe) с углеродом (C), с содержанием углерода (C) от 2,14% до 6,67% (масс.).

По сравнению со сталями чугуны обладают пониженной температурой плавления и хорошими литейными свойствами. За счёт этого из чугунов можно делать отливки значительно более сложной формы, чем из сталей.

Выплавляют чугуны в доменных печах и вагранках. В литейном чугуне обычно содержится не более 4,0% углерода (C). Кроме углерода обязательно присутствуют примеси S, P, Mn, Si, причём в значительно большем количестве, чем в углеродистой стали. В отличие от сталей чугуны заканчивают кристаллизацию образованием эвтектики (ледебурита), определяющей их технологические свойства (хорошую жидкотекучесть), и обладают низкой способностью к пластической деформации. В обычных условиях чугуны не поддаются ковке.

Белыми чугунами называются чугуны, кристаллизующиеся по диаграмме «Fe-Fe₃C», в которых весь углерод (или бóльшая его часть) находится в химически связанном с железом состоянии в виде цементита (Fe₃C). Их получают при высокой скорости охлаждения и наличии карбидообразующих элементов — Mn, Cr, S, W. В структуре белых чугунов имеется высокоуглеродистая эвтектика — ледебурит (С ≈ 4,3%) — механическая эвтектическая смесь аустенита и первичного цементита (Ц _I) в интервале температур 1147°С – 727°С, и механическая эвтектическая смесь перлита и цементита при температурах ниже 727°С. Своё название белые чугуны получил по виду излома, который имеет матово-белый цвет и обладает металлическим блеском. Белые чугуны из-за присутствия в них большого количества цементита Fe₃C обладают высокой твёрдостью (HB 450 – 550) и хрупкостью, практически не подаются обработке режущим инструментом. В зависимости от содержания углерода C белые чугуны по равновесной структуре разделяют на доэвтектические, эвтектический и заэвтектические.

Белые чугуны используются в основном как передельные — в качестве полуфабриката для производства стали и серого ковкого чугуна.

Серыми чугунами называются чугуны, кристаллизующиеся по диаграмме «железо (Fe) – графит (C)», в которых бόльшая часть углерода (С) находится в структурно-свободном состоянии — в виде включений графита (C). Графит (C) является неметаллической фазой, поэтому графитные включения резко понижают прочность (особенно при растяжении) и пластичность чугунов, так как нарушают сплошность металлической основы. Степень понижения механических свойств обуславливается количеством и формой включений графита, а также их размерами и равномерностью распределения.

Графитизацией называется процесс выделения графита при кристаллизации или охлаждении сплавов железа (Fe) с углеродом (C). Графит может образовываться как из жидкой фазы при затвердевании чугуна, так и из твёрдой фазы. Образование графита происходит согласно диаграмме «железо (Fe) – графит (C)».

Так как графит содержит 100% углерода (С), а цементит (Fe₃C) — 6,67%, то жидкая фаза и аустенит по составу более близки к цементиту (Fe₃C), чем к графиту (C). Следовательно, образование из жидкой фазы цементита и аустенита должно протекать легче, чем графита. Поэтому белые чугуны образуются при быстром охлаждении.

С другой стороны, при нагреве цементит (Fe₃C) разлагается на железо (Fe) и углерод (С). Следовательно, графит является более стабильной фазой, чем цементит.

Возможны два пути образования графита в чугуне:

1) Непосредственное образование графита из жидкой фазы. Такое образование возможно при наличии в жидкой фазе центров кристаллизации графита (центров графитизации) и при очень медленном охлаждении расплава.

2) При разложении ранее образовавшегося цементита (Fe₃C).

Влияние скорости охлаждения на процесс графитизации обусловлено тем, что графитизация чугуна является диффузионным процессом и протекает медленно.

Большая длительность процесса графитизации обусловлена необходимостью протекания следующих стадий:

1) образования центров графитизации в жидкой фазе или аустените; 2) диффузии атомов углерода (C) к центрам графитизации;  3) роста выделений графита.

Структура чугунов зависит от степени графитизации, т. е. от того, сколько углерода находится в связанном и свободном состоянии.

Тема №5 Основы технологии термической и химико-термической обработки материалов