Белый чугун

Чугун, в котором весь углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементита, называется белым. Цементит придает излому такого чугуна светлый блестящий вид.

Представление о структуре белых чугунов дает диаграмма железо–цементит (рисунок 2). На диаграмме проведены линии трех сплавов: 1-й – доэвтектический, 2-й – эвтектический, 3-й – заэвтектический чугун. Диаграмма показывает, что в охлажденном состоянии при комнатной температуре структура доэвтектического чугуна составлена перлитом, вторичным цементитом и ледебуритом; эвтектического – только ледебуритом; заэвтектического – ледебуритом и первичным цементитом. Каково же в действительности взаимное расположение этих микроструктурных составляющих в структуре чугунов, выявляется микроисследованием.

Рисунок 2 –Диаграмма железо-цементит (участок чугунов): Ж – жидкий металл; Ц1 – первичный цементит, выпавший из жидкости; Л – ледебурит (механическая смесь аустенита и цементита или перлита и цементита).

 

На рисунке 3 представлена микроструктура чугунов в плоскости шлифа, наблюдаемая с помощью оптического микроскопа.

Микроструктура доэвтектического чугуна показана на рисунке 3, а. Крупные зерна пластинчатого перлита П^ПЛ, отороченные каймой вторичного избыточного цемента Ц_ИЗБ окружены ледебуритом Л. Ледебурит представляет мелкую механическую смесь перлита и цементита. Перлит ледебурита имеет пластинчатое строение и наблюдается в виде мелких темных зерен, а цементит Ц^ЛЕД – в виде светлого поля, окружающего эти зерна. Перлитные зерна П^ПЛ и имеют различную форму: круглые и вытянутые, с ровными и волнистыми очертаниями. При анализе наблюдаемой структуры необходимо иметь в виду следующее:

а) в интервале ликвидус-солидус выделяется избыточный аустенит в виде крупных трехмерных дендритов, которые сохраняют свою форму при дальнейшем охлаждении;

б) кристаллизация эвтектики – ледебурит (при 1147 °C) протекает путем кооперативного прорастания дендритов цементита и аустенита, в результате чего образуется ледебуритная колония, т.е. бикристаллитное образование, представляющее сросшиеся между собой дендриты аустенита и цементита (эвтектического);

в) при температуре солидуса (1147 °C) избыточный аустенит и аустенит ледебурита содержат 2 % углерода. При снижении температуры растворимость углерода в аустените падает, благодаря чему из аустенита выпадает (как внутри дендритов избыточного аустенита, так и на периферии) избыточный вторичный цементит. Содержание углерода в остающемся аустените снижается, достигая 0,8 % при 727 °C, и он превращается в пластинчатый перлит: П_ПЛ и (см. рисунок 3, а).

 

Рисунок 3 – Микроструктура белых чугунов: а – доэвтектического, б – эвтектического, в – заэвтектического; П^ПЛ – пластинчатый перлит; Ц_ИЗБ – вторичный цементит; Л – ледебурит; Ц_ЛЕД – цементит, входящий в состав ледебурита; - перлит ледебурита

 

Таким образом, зерна перлита П_ПЛ и, изображенные на рисунке 3, а, являются сечениями дендритов избыточного аустенита и аустенита ледебурита. На рисунке 3, а показаны зерна перлита (П_ПЛ и), представляющие продольные сечения дендритов (вытянутые с волнистыми очертаниями) и поперечные сечения ветвей дендритов (округлые и вытянутые с ровными очертаниями).

Эвтектический цементит и вторичный цементит (выделившийся из избыточного аустенита и аустенита ледебурита в интервале линий ледебуритного и перлитного превращения) после травления имеют светлый вид и под микроскопом не дифференцируются, так как сливаются вместе в одно целое. Поэтому на рисунке 3, а граница между П^ПЛ и Ц_ИЗБ, проведенная штриховой линией, фактически не наблюдается.

Микроструктура эвтектического чугуна показана на рисунке 3, б. В структуре наблюдается только ледебурит Л: мелкие темные зерна перлита различной формы (круглые, вытянутые), окруженные цементитом Ц_ЛЕД. В зависимости от размера перлитных зерен различают ледебурит грубого и тонкого строения.

Микроструктура заэвтектического чугуна (рисунок 3, в) содержит крупные кристаллы первичного цемента П₁, выпавшего в интервале точек а-б (ликвидус–солидус, см. рисунок 2), окруженные ледебуритом тонкого и более грубого строения: в первом случае перлитные зерна мелкие, во втором – более крупные.

Наблюдаемые в эвтектическом и заэвтектическом чугунах перлитные зерна так же следует рассматривать, как продольные и поперечные сечения дендритов и их ветвей.

При частичной графитизации цементита ледебурита в структуре белого чугуна появляется графит. Чугун, в структуре которого одновременно присутствует ледебурит и графит, называется половинчатым.

Большое количество цементита делает белый чугун очень твердым, трудно обрабатываемым резанием и хрупким. Вследствие этого белый чугун имеет ограниченное применение для деталей простой конфигурации, работающих в условиях повышенного абразивного износа. Например, применяются отливки с отбеленной поверхностью: прокатные валки, лемеха плугов, шары размольных мельниц и др. По тем же причинам не получил широкого распространения и половинчатый чугун. Он применяется в качестве фрикционного материала, работающего в условиях сухого трения (тормозные колодки), а также для изготовления деталей повышенной износостойкости (прокатные, бумагоделательные, мукомольные валки). Маркировка белых и половинчатых чугунов ГОСТом не предусмотрена.