7.Кристаллизация и перекристаллизация чугунов

7.1.Белые чугуны

В структуре высокоуглеродистых сплавов, кристаллизующихся по метастабильной системе, нет свободного углерода. Излом их светлый, поэтому такие чугуны называются белыми.

Рассмотрим превращение характерных сплавов V-VIII (рис.7.1). Сплав VI - эвтектический. При приближении к t_l в жидкости возника­ют гетерогенные флуктуации близкие по строению к аустентной и цементитной фазам, жидкость пересыщена железом и углеродом. При некотором переохлаждении ниже t_l (1147⁰ С) из жидкости начинают кристаллизоваться обе фазы -происходит эвтектическое превращение . Образовавшаяся эвтектика (бикристалл) называется ледебуритом. Ведущая фаза - цементит, мо­дель бикристалла - дерн. При дальнейшем охлаждении до t₂ сущест­венных изменений не происходит: выделяется из аустенита небольшое количество цементита вследствие уменьшения растворимости углерода в аустенитной фазе. Этот цементит структурно обнаруживается только после специального теплового травления. Ниже 727⁰ С аустенит ледебурита превра­щается в перлит. Окончательная структура - ледебурит - (П + Ц), который иногда называют видоизмененным ледебуритом Л. Сплав как и все белые чугуны обладает высокой твердостью (65% Ц) и хрупкостью.

Сплав V - доэвтектический. При пониженной температуре ниже t_l из жидкости кристаллизуется А, при t₂ в оставшейся жидкости имеется 4,3% С, и при дальнейшем охлаждении происходит эвтектическое превраще­ние . При охлаждении от t₁ до t₃ из аустенита выделяется цементит, а при температуре ниже 727⁰ С (t₃) происходит эвтектоидное превращение. Окончательная структура доэвтектического белого чугуна представляет собой перлит,цементит и ледебурит.

Сплав УП - заэвтектический. Из жидкости ниже t_l до кристаллизу­ется высокоуглеродистая фаза цементит Ц _I( цифра I говорит о том, что он обра­зовался из жидкости). При t_S состав жидкости соответствует точке С и при дальнейшем охлаждении вплоть 20⁰ С существенных изменений в структуре нет, и после эвтектоидного превращения она состоит из ледебурита и цементита первичного.

Таким образом,структура белого чугуна зависит от содержания в нем угле­рода и формируется в процессе первичной кристаллизации. Перекрис­таллизация существенно структуру не меняет.

Белые чугуны используются главным образом как передельные чугуны.

Доэвтектический белый чугун, содержащий 2,2 - 2,9%С используется для получения ковкого чугуна, эвтектический белый чугун (лег­коплавкий; жидкотекучий) - для получения чугунной дроби, заэвтектический - очень твердый и износостойкий - для отливки шаров, ша­ровых мельниц.

7.2.Серые чугуны

Структурным признаком серого чугуна является обязательное присутствие графита в структуре серого чугуна, кото­рый придает излому серый цвет.

Образование из жидкости аустенита , графита и дальнейший рас­пад аустенита на феррит и графит соответствует минимальному значе­нию свободной энергии, т.е. наиболее стабильному равновесию. При медленном охлаждении, когда кристаллизация проходит в интервале температур 1152-1147⁰ С термодинамически более выгодно образование графита . В этом случае кристаллизация происходит по ста­бильной диаграмме . Отдельные линии, а следовательно и точки, сме­щаются, а некоторые линии обеих диаграмм совпадают (рис.7.2). Крис­таллизация сталей по стабильной диаграмме в большинстве случаев ни чем не отличается от кристаллизации по метастабильной диаграмме, только вместо цементита будет формироваться графитная фаза.

Серый чугун обладает низким комплексом механических свойств: низкие прочностные свойства и практически нулевые пластические ( главным образом из-за формы графитных включений : хлопьевидные в ковком чугуне и пластинчатые в обычном сером). Однако этот чу­гун дешев, обладает высокой жидкотекучестью, малой усадкой, хорошо гасит колебания (высокие демпфирующие свойства).В двадцатые годы был создан новый вид чугуна, в котором резко изменена форма графитных включений, что позволило приблизить его свойства к свойствам стали при сохранении высоких тех­нологических свойств серого чугуна, этот чугун назвали высокопроч­ным (ВЧ).

Получают его путем модифицирования серого чугуна редкоземельны­ми металлами ( Mg, Се) или их лигатурами. Под действием модифика­тора происходит сфероидизация графитных включений, что приводит к повышению прочности до 1000 МПа (в) и появлению пластичности до 5-10%.

Модификатор обеспечивает глубокую десульфурацию и раскисление, а также выравнивание скорости роста графитных зародышей в различ­енных направлениях.

Шаровидная форма графита меньше ослабляет металлическую основу по сравнению с графитом в виде пластин, влияющих как острые над­резы.

Высокопрочный чугун также как обычный серый и ковкий , может быть на ферритно-перлитной и перлитной основе.

Ковкий чугун является старым машиностроительным материалом. Его получают из доэвтектического белого чугуна (2,2 - 3,0%С) путем термической обработки. Отливки из белого чугуна подвергают графитизирующему отжигу.

При высоких температурах цементит метастабилен и разлагается по реакции . После первой стадии графитизации получаем структуру А+Г. В зависимости от условий охлаждения можно получить структуру П + Г - перлитный ковкий чугун (повышенная прочность) до 450 МПа и пони­женная пластичность , или Ф + Г - ферритный ковкий чугун (проч­ность 300 - 400 МПа, удлинение 6-12%).

Образующийся графит более компактный, чем в сером чугуне, его называют хлопьевидным графитом или углеродом отжига.

Серый чугун широко используется в станкостроении (станины, коробки, колонны и т.д.), т.к. хорошо работает на сжатие. Высокоп­рочный чугун - в автостроении, дизелестроении для ряда ответствен­ных изделий (колен, валы, распределительные валики, опоры подшип­ников и т.д.).

Все чугуны гостированы. ГОСТы определяют их химический состав и основные свойства.