Серые, высокопрочные и ковкие чугуны

 

Серые, высокопрочные и ковкие чугуны относятся к материалам, в которых весь углерод или его часть находится в виде графита. Излом этих чугунов – серый, матовый. В их структуре различают: структуру металлической основы и выделения графита. Отличаются они друг от друга только формой выделений графита.

В серых чугунах графит выделяется в виде пластинок (прожилок, чешуек); в высокопрочных – в виде шариков; в ковких – в виде хлопьев (рис. 4.2).

Пластинчатый графит. В обычном сером чугуне графит образуется в виде лепестков; такой графит называется пластинчатым. На рис. 4.2, а показана структура обычного ферритного чугуна с прожилками графита; пространственный вид таких графитных включений показан на рис. 4.3, а (видно пересечение пластинчатых включений плоскостью шлифа).

Шаровидный графит. В современных так называемых высокопрочных чугунах, выплавленных с присадкой небольшого количества магния (или церия), графит приобретает форму шара. На рис. 4.2, б показана микроструктура серого чугуна с шаровидным графитом, а на рис. 4.3, б – фотография шаровидного графитного включения в электронном микроскопе.

Хлопьевидный графит. Если при отливке получить белый чугун, а затем, используя неустойчивость цементита, с помощью отжига разложить его, то образующийся графит приобретает компактную, почти равноосную, но не округлую форму. Такой графит называется хлопьевидным, или углеродом отжига. Микроструктура чугуна с хлопьевидным графитом показана на рис. 4.2, в. На практике чугун с хлопьевидным графитом называют ковким чугуном.

 

а б в г

Рис. 4.2. Форма графита в чугунах:

а – пластинчатая (обычный серый чугун), × 100; б – шаровидная (высокопрочный чугун), × 200; в – хлопьевидная (ковкий чугун), × 100; г – вермикулярная, × 100

 

а б

Рис. 4.3. Графитные включения в чугуне (× 2000):

а – пластинчатые; б – шаровидные

 

Вермикулярный графит – в виде глистообразных прожилок (рис. 4.2, г).

Таким образом, чугуны называют:

– с пластинчатым графитом обычным серым чугуном;

– с червеобразным графитом – серым вермикулярным чугуном;

– чугун с шаровидным графитом – высокопрочным чугуном;

– чугун с хлопьевидным графитом – ковким чугуном.

По структуре металлической основы все чугуны классифицируются:

1) на ферритные – со структурой феррита и графита (количество связанного углерода С_связ = 0,025%);

2) феррито-перлитные ‑ со структурой феррита, перлита и графита (количество С_связ = от 0,025 до 0,8%);

3) перлитные ‑ со структурой перлита и графита (количество С_связ = 0,8%).

Отсюда можно сделать заключение, что металлическая основа в этой группе чугунов похожа на структуру эвтектоидной и доэвтектоидной стали и железа и отличается только наличием графитных включений (углерода в свободном состоянии), предопределяющих специфические свойства чугунов.

а б в

Рис. 4.4. Микроструктура серого чугуна:

а – перлитного, × 200; б – феррито-перлитного, × 100; в – ферритного, × 100

Структура перлитного чугуна состоит из перлита с включениями графита (рис. 4.4, а - графит в виде прожилок; типично для серого чугуна). Перлит содержит 0,8% С, следовательно, это количество углерода в сером перлитном чугуне находится в связанном состоянии (т. е. в виде Fe₃C), остальное количество находится в свободном виде, т. е. в форме графита.

Феррито-перлитный чугун (рис. 4.4, б) состоит из феррита и перлита + включения веретенообразного графита. В этом чугуне количество связанного углерода меньше 0,8% С.

В ферритном чугуне (рис. 4.4, в) металлической основой является феррит, и весь углерод, имеющийся в сплаве, присутствует в форме графита (на фотографии в виде веретенообразного графита).

На схемах структур (табл. 4.1) обобщается описанная выше классификация чугуна по строению металлической основы и форме графита.

Серые чугуны. Серые чугуны, как и белые, получаются непосредственно при отливке (при кристаллизации из жидкого расплава). Поскольку образование графита из жидкости – медленный процесс (работа образования зародыша велика: требуется значительная диффузия атомов углерода и отвод атомов железа от фронта кристаллизации графита), то он возможен только в узком интервале температур. Следовательно, охлаждение серого чугуна ведется медленно, и цементит, выделяющийся из жидкого или твердого раствора, будучи неустойчивым химическим соединением, в особенности при высоких температурах, распадается с образованием графита:

Fe₃C ® Fe_γ (С) + C_гр при температуре выше 727°С

Fe₃С ® Fe_α (С) + С_гр при температуре ниже 727°С (ниже линии PSK).

С ускорением охлаждения чугуна вероятность образования в нем графита уменьшается и при определенной скорости охлаждения часть сплава может закристаллизоваться в соответствии со стабильной, а часть, например поверхностный слой, ‑ с метастабильной диаграммами. Чугунные отливки, у которых поверхностные слои имеют структуру белого чугуна, а сердцевина – серого, называют отбеленными. Отбел их на некоторую глубину – следствие более быстрого охлаждения поверхности. Следовательно, обязательным условием для получения серого чугуна является очень малая скорость охлаждения расплава.

Графит в сером чугуне выделяется в виде пластин. Пластинчатые включения графита в серых чугунах можно рассматривать как трещины, надрезы, создающие большие концентрации напряжений в металлической основе. Поэтому свойства этих чугунов сильно отличаются от свойств стали.

Для определения наличия графита и формы его включений исследуют нетравленый микрошлиф с помощью металлографического микроскопа. Графит выглядит темной фазой на светлом фоне полированной металлической основы, затем микрошлиф травят (3–5%-ным раствором HNO₃ в спирте) и устанавливают структуру металлической основы.

По степени графитизации различают несколько видов серых чугунов: перлитный, перлито-ферритный и ферритный чугун. Если количество связанного углерода будет составлять больше 1%, такой чугун называется половинчатым. Его структура состоит из ледебурита, перлита и графита.