6.8.2 Влияние скорости охлаждения на формирование структуры чугунов

Ранее отмечалось, что при одинаковом составе формирование структуры чугунов происходит в зависимости от скорости охлаждения. В промышленности обычно используют доэвтектические белые и серые чугуны, поэтому рассмотрим варианты структурообразования на примере такого сплава (рис. 6.7).

На первом этапе формирования структуры (Т₁– Т₂) в любом варианте из жидкости начинается кристаллизация аустенита.

Чугун

L LА+Ц белый

LА+Г серый

L+A LА+Ц половин-

L+Ц(Г) LА+Ц чатый

E’ С’

А Е С

Основа

A+Ц(Г) АФ+Ц перлитн.

А+Ф АФ+Г ферритн.

S’ АФ+Ц феррито-

Ф АФ+Г перлитн.

P S

Ф+Ц(Г)

2,0 4,3

% С 

Рисунок 6.7- Диаграмма системы железо-углерод (область чугунов) и кривые охлаждения серых чугунов с разным содержанием углерода

Эвтектическое же превращение в зависимости от скорости охлаждения происходит по-разному, и образуются чугуны разных типов. При ускоренном охлаждении (вариант 1) формируется аустенито-цементитная эвтектика – ледебурит и образуется белый чугун. При замедленном охлаждении (вариант 2) формируется аустенито-графитная эвтектика и образуется серый чугун и в случае промежуточной скорости охлаждения часть аустенита может превратиться в ледебурит, а часть – в аустенито-графитную эвтектику. При этом образуется половинчатый чугун (вариант 3).

При охлаждении в интервале между эвтектическим и эвтектоидным превращением из-за снижения растворимости углерода в аустените в белых чугунах выделяется вторичный цементит (как было указано ранее), а в серых чугунах – вторичный графит.

Эвтектоидное превращение для белых чугунов происходит всегда одинаково – с образованием перлита (A_S  Ф_Р + Ц), а для серых – по-разному. В случае ускоренного охлаждения в интервале перлитного превращения аустенит превращается в перлит и формируется серый чугун на перлитной основе, в случае замедленного охлаждения аустенит распадается на феррит и графит и формируется структура серого чугуна на ферритной основе и в промежуточном случае (часть аустенита распадается на феррит и графит, а часть превращается в перлит) – формируется серый чугун на феррито-перлитной основе. Чем больше в структуре серого чугуна перлита, тем выше его прочностные свойства, таким образом, для чугуна одного и того же состава можно получить различные механические свойства.

Если в расплав ввести небольшое количество (0,03...0,07%) магния, эвтектическая кристаллизация серых чугунов протекает образованием шаровидного графита. Такой чугун называется высокопрочным. Пластинчатый графит является гораздо большим концентратором напряжений, чем шаровидный, поэтому при одном и том же количестве графита прочностные свойства чугуна с шаровидным графитом в несколько раз больше.

6.8.3 Формирование структуры ковкого чугуна

Ковкий чугун получают путем специальной термической обработки (графитизирующего отжига) отливок белого чугуна. Отливки нагревают до 900 - 1000°С. При этом происходит графитизация цементита, то есть распад его на аустенит и графит. Графит образуется обычно в отдельных местах, на структурных несовершенствах (дефектах). Частички графита растут за счет растворения цементита и диффузионного перемещения атомов углерода. Такой механизм ведет к образованию компактной формы графита - в виде хлопьев.

Схема режима графитизирующего отжига приведена на рисунке 6.8.

Т

950 - 970  С І стадия графитизации

760°С П стадия

720°С графитизации



Рисунок 6.8- Схема режима графитизирующего отжига

Во время первой стадии происходит графитизация цементита. Вторая стадия может осуществляться по-разному. Если в интервале эвтектоидного превращения проводить очень медленное охлаждение, образуется феррито-графитный эвтектоид, и, таким образом, будет получен чугун на ферритной основе. Такой же результат будет иметь место, если охлаждение в этом температурном интервале вести не очень медленно, но произвести выдержку немного ниже эвтектоидной температуры. Во время выдержки происходит графитизация цементита перлита. Если вторую стадию графитизаци совсем не проводить, получим чугун на перлитной основе. Если эту стадию не довести до конца, сформируется феррито-перлитная металлическая основа.

Благодаря компактной форме графита ковкие чугуны характеризуются повышенными механическими свойствами, которые приближают их к высокопрочным. При испытаниях образцов ковких и высокопрочных чугунов на растяжение выявляется некоторая пластичность, которая полностью отсутствует в серых чугунах. Отметим также, что название ковкие чугуны условно. Изделия из них получают литьем и пластической деформации они не подвергаются.