Основные теоретические положения

Чугунами называют сплавы углерода с железом, содержащие более 2,14 %С. В отличие от сталей, чугуны заканчивают свою кристаллизацию с образованием эвтектики.

По своим технологическим свойствам чугуны отличаются от сталей лучшими литейными свойствами, но малой способностью к пластической деформации (в обычных условиях не куются). Поэтому чугуны используются исключительно как литейные сплавы.

Углерод в чугунах может находиться как в форме цементита, так и в форме графита. Чугуны, в которых углерод находится в форме цементита, называются белыми. Чугуны, в которых весь углерод и его большая часть находится в форме графита, подразделяются на несколько типов, из которых главными являются серый, высокопрочный и ковкий чугуны.

Структура белых чугунов может быть определена с помощью диаграммы состояния «железо-цементит» (рис.1). В соответствии с этой диаграммой, первичная кристаллизация доэвтектических чугунов (с содержанием углерода менее 4,3%) протекает с образованием аустенита и эвтектики, состоящей из смеси тонкодисперсных зерен аустенита и цементита и называемой ледебуритом. При понижении температуры от 1147 до 727^оС аустенит обедняется углеродом в результате выделения вторичного цементита. При температуре 727^оС протекает эвтектоидное превращение аустенита в перлит. При этом превращение претерпевает не только свободный аустенит, но и аустенит, входящий в состав ледебурита. Поэтому ледебурит при температуре ниже 727^оС отличается от ледебурита, образовавшегося в результате первичной кристаллизации, и состоит из перлита и цементита.

В результате всех превращений структура белого доэвтектического чугуна при температуре ниже 727^оС содержит перлит, вторичный цементит и ледебурит.

При первичной кристаллизации заэвтоктического белого чугуна (с содержанием углерода более 4,3%) образуется первичный цементит и ледебуритная эвтектика. При снижении температуры от 1147 до 727^о из аустенита, входящего в состав ледебурита, выделяется вторичный цементит, а при температуре 727° оставшийся аустенит превращает­ся в перлит. Первичный цементит каких-либо превращении не претерпевает. Таким образом, структура заэвтектического белого чугуна состоит из первичного цементита и превращенного ледебурита. Эвтектический чугун представляет собой превращенный ледебурит.

Равновесия в рассмотренной выше системе «железо-цементит» являются метастабильными. Это обусловлено тем, что в термодинамическом отношении цементит является менее устойчивой фазой, чем графит. Истинные равновесия в системе железоуглеродных сплавов характеризует диаграмма состояния «железо-графит». Для удобства эту диаграмму обычно совмещают с диаграммой состояния «железо-цементит», причем пунктирные линии обозначают равновесия в системе «железо-графит», а сплошные – в системе «железо-цементит» (рис.1). В стабильной системе «железо-графит» фазами являются жидкий раствор углерода в железе, аустенит, феррит и графит.

 

Рис.1 . Диаграмма состояния Fe—С.

(сплошные линии превращения в системе Fe— Fe₃С;

пунктирные линии превращения в системе Fe—С)

 

Первичная кристаллизация доэвтектического чугуна в системе «железо-графит» протекает с образованием первичного аустенита и графитной эвтектики, представляющей тонкодисперсную смесь зерен аустенита и графита. При дальнейшем понижении температуры от 1153 до 738^оС из первичного аустенита выделяется вторичный графит. При температуре 738⁰0 происходит эвтектоидное превращение аустенита с образованием феррита и графита. Однако после полного охлаждения в структуре чугуна невозможно дифференцировать частицы гранита эвтектического, звтектоидного и вторичного происхождения, так как частицы вторичного и эвтектоидного гранита выделяются как на готовых центрах кристаллизации на частицах эвтектического графита, образовавшихся в первую очередь (при температуре эвтектики). В результате структура доэвтектического чугуна существенно упрощается – она состоит из феррита и графита.

Кристаллизация эвтектических чугунов в системе «железо-графит» отличается тем, что вначале из расплава выделяется первичный графит. Оставшаяся часть расплава при температуре 1133^о кристаллизуется с образованием эвтектики, состоящей из аустенита и графита. Таким образом, общее количество гранитных включений в заэвтектическом чугуне будет больше, чем в доэвтектическом. После полного охлаждения структура заэвтектического чугуна будет представлена ферритом и гранитом.

Следовательно, в соответствии с диаграммой состояния «железо-графит» структура всех чугунов должна состоять из феррита и графита. Феррит составляет металлическую основу (матрицу) чугуна, в которую вкраплены включения графита.

Однако в реальных условиях кристаллизация чугуна может идти с образованием совместно графита и цементита. Иными словами, крис­таллизация чугуна может одновременно идти как в соответствии с диаграммой состояния «железо-графит», так и в соответствии с диаграммой состояния «железо-цементит».

Выделение гранита в процессе кристаллизации чугунов называет­ся графитизацией. Степень графитизации зависит от ряда факторов, из которых главными являются скорость охлаждения сплава и содержа­ние в нем кремния и углерода.

С уменьшением скорости охлаждения увеличивается количество графита и уменьшается количество цементита. Практически это озна­чает, что в толстостенных и, следовательно, медленно остывающих отливках степень графитизации будет выше, чем в тонкостенных. Более того, даже в одной и той же отливке чугун может иметь различную структуру. В тонких частях отливки, где выше скорость кристаллизации и охлаждения, чугун будет сильнее графитизирован, чем в массивных.

Сильным графитизирующим действием обладает кремний, поэтому его содержание в чугунах обычно составляет 1-3%. Изменяя содержание крем­ния, можно изменять степень графитизации чугуна. Углерод также спо­собствует графитизации, однако с повышением его содержания ухудша­ются механические свойства чугунов. Поэтому содержание углерода в чугунах обычно не превышает 4,5%, но превышает 3,5-3,8%.