Кристаллизация сталей

1. В виде тонких пластинок или лепестков. Называется такой чугун серым из-за темного цвета излома, создаваемого большим количеством графита (рис. 13а).
2. Сфероидальной формы. Чугун с шаровидным графитом называется высокопрочным (рис. 13б).
3. В виде компактных образований неправильной формы или хлопьев. Такой чугун называется ковким (рис. 13в).

Графитные включения можно рассматривать как соответствующей формы пустоты в структуре чугуна. Около таких дефектов при нагружении концентрируются напряжения, значение которых тем больше, чем острее дефект. Отсюда следует, что графитные включения пластинчатой формы в максимальной мере разупрочняют металл. Более благоприятна хлопьевидная форма, а оптимальной является шаровидная форма графита. Пластичность зависит от формы таким же образом.

Наличие графита наиболее резко снижает сопротивление  при жестких способах нагружения: удар; разрыв. Сопротивление сжатию снижается мало.

 

      

а                                                                                 б

 в

 

Рис. 13. Основные формы выделения графита в чугунах: а –пластинчатый в сером чугуне; б - шаровидный в высокопрочном чугуне; г – хлопьевидный в ковком чугуне.

 

Графитные выделения  в перечисленных чугунах бывают окружены различной по структуре металлической основой, которую иногда называют матрицей. Она может быть ферритной (рис. 14а), перлитной (рис. 14б) или феррито-перлитной (рис. 14в).

 

3.2. Процесс графитизации

 

Процесс образования  графита в сплавах железа с углеродом называется графитизацией.

Графит – это полиморфная  модификация углерода. Так как  графит содержит 100 % углерода, а цементит – 6,67 %, то жидкая фаза и аустенит по составу более близки к цементиту, чем к графиту. Следовательно, образование цементита из жидкой фазы и аустенита должно протекать легче, чем графита.

          

                              а                                                                             б

 

                         в

 

Рис. 14. Основные виды матриц в чугунах: а –ферритная; б - перлитная; г – феррито-перлитная.

 

С другой стороны, при  нагреве цементит разлагается на железо и углерод. Возможны два пути образования графита в чугуне.

1. При благоприятных условиях (наличие  в жидкой фазе готовых центров кристаллизации графита и очень медленное охлаждение) происходит непосредственное образование графита из жидкой фазы.

 

Присутствие перлита  в сером или высокопрочном  чугуне должно свидетельствовать о  том, что кристаллизация этих чугунов  протекала частично по стабильной, а частично по метастабильной диаграмме состоянии Fe-C.

Как было показано ранее, диаграмма состояния Fe-C приводится в двойном варианте: сплошным линиям соответствует диаграмма метастабильная или цементитная, пунктирным (совместно с некоторыми сплошными) – стабильная или графитная.

Трехфазное равновесие аустенит – жидкая фаза – графит (линия F' С' F') наблюдается при температуре 1153° С, в то время как равновесие аустенит – жидкая фаза – цементит (линия Е С F) имеет место при меньшей температуре 1147° С.

Аналогично этому в  твердом состоянии трехфазное равновесие феррит – аустенит – графит (линия P' S' K') наблюдается при температуре738° С, а равновесие феррит – аустенит – цементит при температуре 727° (линия P S K). 

Следовательно, эвтектическое превращение с образование графита термодинамически возможно только в том случае, если жидкая фаза переохлаждена до интервала температур 1153 - 1147° С, а эвтектоидное превращение с образование графита – если аустенит переохлажден до интервала температур 738 - 723° С. в обоих случаях выделение графита происходит при малом переохлаждении жидкой фазы и аустенита.

При температурах ниже 1147° С и 727° С распадающаяся материнская фаза (жидкая или аустенит) может претерпевать превращение с образованием цементита (ледебурит, перлит), хотя образование графита не исключено.

Образование ледебурита ниже 1147° С и перлита ниже 727° С будет облегчаться кинетическими факторами, заключающимися в том, что зародышевые центры цементита имеют состав намного ближе к составу жидкой фазы или аустенита, чем зародышевые центры графита. Вместе с тем рост зародышей графита затрудняется необходимостью отвода атомов железа. Таким образом, при повышенных степенях переохлаждения возникновение структур с цементитом происходит намного легче, нежели с графитом. Отсюда можно сделать важный вывод: медленное охлаждение чугуна способствует образованию структур с графитом, а ускоренное охлаждение – с цементитом. В промышленных отливках разная скорость охлаждения может создаваться искусственно в зависимости от материала формы (металлическая или песчаная), в которой кристаллизуется чугун. Разная скорость охлаждения отдельных частей отливки также обусловливается различной их толщиной, что будет сказываться на структуре чугуна.

Однако кристаллизация чугунов зачастую осложняется рядом других обстоятельств, в связи с которыми необходимо искать объяснения структуры отливки, сформировавшейся в практических условиях.

Так кристаллизация графита  намного облегчается в том  случае, если в жидкой фазе имеется подходящая «подкладка» для образования зародышей. Такой подкладкой чаще всего являются мельчайшие частицы самого графита, остающиеся в жидкой фазе при переплавках чугуна.

2. При разложении ранее образовавшегося  цементита. При температурах выше 738° С цементит разлагается на смесь аустенита и графита по схеме:

.

При температурах ниже 738° С разложение цементита осуществляется по схеме:

.

При малых скоростях  охлаждение степень разложения цементита  больше.

Графитизацию из жидкой фазы, а также от распада цементита  первичного и цементита, входящего в состав эвтектики, называют первичной стадией графитизации.

Выделение вторичного графита  из аустенита называют промежуточной стадией графитизации.

Образование эвтектоидного  графита, а также графита, образовавшегося  в результате распада цементита, входящего в состав перлита, называют вторичной стадией графитизации.

Структура чугунов зависит  от степени графитизации, т.е. от того, сколько углерода находится в  связанном состоянии.

Рис. 15. Схема образования структур при графитизации

 

Выдержка при температуре больше 738° С приводит к графитизации избыточного нерастворившегося цементита. Если процесс завершить полностью, то при высокой температуре структура будет состоять из аустенита и графита, а после охлаждения – из перлита и графита.

При незавершенности процесса первичной графитизации, выше температуры 738° С структура состоит из аустенита, графита и цементита, а ниже этой температуры – из перлита, графита и цементита.

При переходе через критическую  точку превращения аустенита  в перлит, и выдержке при температуре ниже критической приведет к распаду цементита, входящего в состав перлита (вторичная графитизация). Если процесс завершен полностью то структура состоит из феррита и графита, при незавершенности процесса – из перлита, феррита и графита.

Кремний является энергичным графитизатором, и увеличение содержания его в сплаве облегчает кристаллизацию с образованием графита. Марганец затрудняет графитизацию и способствует отбеливанию  чугуна. Сера способствует отбеливанию  чугуна и ухудшает литейные свойства, ее содержание ограничено – 0,08…0,12 %. Фосфор на процесс графитизации не влияет, но улучшает жидкотекучесть, Фосфор является в чугунах полезной примесью, его содержание – 0,3…0,8 %.  Модифицирование чугуна (например, ферросилицием в смеси с алюминием) облегчает кристаллизацию графита и измельчает его выделения, в результате чего улучшается структура отливки

Таким образом, в зависимости  от химического состава и скорости охлаждения чугуна при кристаллизации удается получить в отливках желаемую структуру, а следовательно, необходимые механические и другие свойства.

Рассмотрим теперь некоторые  особенности структуры и свойств  различных чугунов.

 

3.3 Белый чугун

 

Белый чугун отличается от других отсутствием графита и  наличием большого количества цементита. Наиболее характерной структурной составляющей белого чугуна является эвтектика (ледебурит). Ввиду большого количества цементитной фазы белым чугунам присуща высокая твердость и хрупкость, поэтому в машиностроении они находят ограниченное применение и идут главным образом в передел на сталь.

В машиностроении применяется  так называемый отбеленный чугун, у  которого поверхностные слои отливки  имеют структуру белого чугуна, а  внутренние - серого. Такая сложная  структура отливки создается  комбинированной формой, в которой происходит кристаллизация чугуна. В тех местах, где должен получиться белый чугун, расплав соприкасается с металлической формой (кокилем), обеспечивающей высокую скорость охлаждения. Внутренние части отливки кристаллизуются при меньшей скорости охлаждения, которая создается песчаной формой, выполненной из специальной формовочной смеси (песок, глина и другие составляющие).

Для повышения сопротивления  износу от трения на поверхности некоторых  изделий оборудования металлургических заводов наплавляется тонкий слой белого чугуна.

3.4.Серый чугун

 

Как было указано ранее, серый чугун имеет в структуре  графит в виде тонких, чаще всего  длинных и изогнутых, пластинок, окруженных ферритной, перлитной или феррито - перлитной основой. Этот чугун находит широкое применение в машиностроении.

Серые чугуны содержат углерода – 3,2…3,5 %; кремния – 1,9…2,5 %; марганца –0,5…0,8 %; фосфора – 0,1…0,3 %; серы – < 0,12 %.

Механические свойства серого чугуна зависят от общего количества графита и его формы, а также от структуры основы.

Во всех случаях графит ухудшает механические свойства чугуна, снижая его прочность, пластичность и вязкость (в сравнении со свойствами стали). Графитные выделения подобно  внутренним надрезам создают местные, зачастую очень значительные, перенапряжения и вызывают преждевременное разрушение чугуна. Графит резко снижает сопротивление отрыву, поэтому чем больше общее количество графита, чем длиннее и тоньше его пластинки, тем ниже показатели пластичности, вязкости и прочности при растяжении. В целях улучшения механических свойств серых чугунов металлурги стремятся получить в отливках малое количество графита с наиболее благоприятной структурной формой его выделений (мелкие выделения в модифицированном чугуне и шаровидная форма в высокопрочном чугуне).

Структура металлической  основы зависит от количества углерода и кремния. С увеличением содержания углерода и кремния увеличивается  степень графитизации и склонность к образованию ферритной структуры металлической основы. Это ведет к разупрочнению чугуна без повышения пластичности. Лучшими прочностными свойствами и износостойкостью обладают перлитные серые чугуны.

Учитывая малое сопротивление  отливок из серого чугуна растягивающим  и ударным нагрузкам, следует  использовать этот материал для деталей, которые подвергаются сжимающим или изгибающим нагрузкам. В станкостроении это – базовые, корпусные детали, кронштейны, зубчатые колеса, направляющие; в автостроении - блоки цилиндров, поршневые кольца, распределительные валы, диски сцепления. Отливки из серого чугуна также используются в электромашиностроении, для изготовления товаров народного потребления.

Обозначаются индексом СЧ (серый чугун) и числом, которое  показывает значение временного сопротивления, умноженное на СЧ 15. 

 

3.5. Высокопрочный чугун

 

Высокопрочные чугуны содержат: углерода – 3,2…3,8 %, кремния – 1,9…2,6 %, марганца – 0,6…0,8 %, фосфора – до 0,12 %, серы – до 0,3 %.

Высокопрочный чугун имеет в своем составе выделения графита шаровидной формы, поэтому соединяет в себе высокую прочность стали с важнейшими технологическими достоинствами чугунов. Графит шаровидной формы возникает непосредственно кристаллизации  жидкого чугуна в результате модифицирования его магнием (иногда церием) перед заливкой в формы. Вместе с магнием в чугун вводят также ферросилиций.

Шаровидная форма графита  в значительно меньшей степени  оказывает вредное надрезывающее  воздействие на металлическую основу чугуна, чем пластинчатые выделения графита. Поэтому высокопрочный чугун имеет все показатели механических свойств намного выше, чем серый. Структура основы высокопрочного чугуна, так же как и серого, может быть чисто ферритной, перлитной или феррито - перлитной. Формирование этой структуры происходит в процессе эвтектоидных превращений, как было показано ранее.

Из высокопрочного чугуна изготовляют весьма ответственные  изделия: коленчатые валы автомобилей  и тракторов, детали оборудования прокатных  станов и другие.

Эти чугуны обладают высокой  жидкотекучестью, линейная усадка –     около 1%. Литейные напряжения в отливках несколько выше, чем для серого чугуна. Из-за высокого модуля упругости достаточно высокая обрабатываемость резанием. Обладают удовлетворительной свариваемостью.

Из высокопрочного чугуна изготовляют тонкостенные отливки (поршневые кольца), шаботы ковочных молотов, станины и рамы прессов  и прокатных станов, изложницы, резцедержатели, планшайбы.