Процесс графитизации

Для управления структурой, а значит, свойствами чугуна, нужно понимать, при каких условиях углерод в чугуне будет выделятся в виде графита, при каких – в виде цементита.

Нужно знать, что более устойчивой из этих двух фаз является графит, а цементит – метастабильная фаза, которая может распасться на железо и графит (Fe₃C→3Fe+C_гр).

Цементит по структуре ближе к железу, чем графит, поэтому образоваться зародышу цементита значительно легче, тогда как работа образования зародыша графита велика.

Цементит и по составу (6,67% С) ближе к чугуну, чем графит, который содержит 100%С. Из всего сказанного можно сделать вывод, что цементиту образоваться значительно легче, чем графиту. Во-первых, трудно образоваться зародышу графита, во-вторых, рост кристалла графита может идти при условии подвода атомов углерода и отвода атомов железа.

Процессу графитизации способствуют следующие факторы:

1)Медленное охлаждение расплава при кристаллизации. При ускоренном охлаждении (тонкая стенка отливки, металлическая форма, холодильники в форме) может получаться структура белого чугуна или в поверхностном слое (отбеленный чугун), или насквозь.

2)Наличие в расплаве элементов, которые ослабляют связи Fe и С; в этом случае Fe₃C не образуется, и углерод выделяется в виде графита. К таким элементам-графитизаторам относятся С, Si,Cu, Ni, Al и др.

Содержание отбеливающих элементов, усиливающих связи Fe c C, должно быть уменьшено. К таким отбеливающим элементам относятся Mn, S, Cr, Mo, W и др.

3)Наличие в расплаве центров графита, роль которых играют мельчайшие частицы различных включений, примесей и самого графита. На этих частицах начинается процесс кристаллизации графита. Центры графита можно ввести, проводя процесс модифицирования веществами, которые дают центры для графита: в разливочный ковш вводят, например, ферросилиций, силикокальций. Кремний, окисляясь, дает готовые центры графита, т.к. SiO₂ имеет параметры решетки, которые близки графиту. Кроме того, кремний, растворяясь в рсплаве, как бы вытесняет из него углерод, являясь активным графитизатором. В результате такого модифицирования графит становится мелким и равномерно распределенным в стальной металлической основе чугуна.

Серый чугун

Серый чугун – это сплав железа с углеродом (≥ 2,5% С) и кремнием (≥ 1%). Примесями является Mn, S, P. Кроме того, серые чугуны изготавливают легированными (Cu, Ni, Cr, Mo, Ti, Al и др.).

Для серого чугуна характерна пластинчатая форма графитныхвключений. Такая форма графита получается в чугунах, не очищенных от газовых примесей и серы, в условиях замедленного охлаждения. Чем тоньше стенка отливки, тем больше должно быть суммарное содержание C+Si, которые являются главными графитизаторами. Серые чугуны выплавляют чаще всего в вагранке, которая имеет очень высокую производительность (до 100 т/ч), но расплав чугуна загрязнен примесями и имеет пониженную температуру (до 1300-1350⁰С). Серый чугун имеет небольшую усадку (~ 1%), высокую жидкотекучесть, т.е. высокие литейные свойства. Главный недостаток серого чугуна – малое сопротивление растягивающим (изгибающим) нагрузкам, т.к. пластины графита являются как бы микротрещинами. В связи с этим серый чугун непластичен ( ≤ 1,5%), показатели прочности при растяжении низкие, что видно и по маркировке: в марке серого чугуна цифра – это временное сопротивление чугуна при разрыве , кгс/мм². Существуют следующие марки серого чугуна: СЧ10, СЧ15, СЧ20, СЧ25, СЧ30, СЧ35; выше 35 кгс/мм² имеют модифицированные или легированные серые чугуны СЧ40 и СЧ45.

Твердость, износостойкость и прочность серого чугуна зависит не только от формы, размеров и расположения графитных включений, но и от структуры металлической основы: наименее прочными и износостойкими являются чугуны с ферритной металлической основой. Для деталей, работающих на износ, применяется перлитный серый чугун, где не допускаются включения феррита.

Чугуны СЧ10, СЧ15 (ферритного класса) применяются для деталей неответственного назначения (крышки, шкивы и т.д.); СЧ20, СЧ25 – для станин и др. деталей станков, блоков цилиндров и т.д.; СЧ30, СЧ35 – для барабанов, шестерен, гильз цилиндров.

Для ответственных деталей машин сложной конфигурации, а также в случае работы в тяжелых условиях износа применяются высокопрочные чугуны, которые часто заменяют сталь. Преимущества чугуна по сравнению со сталью: хорошие литейные свойства (высокая жидкотекучесть, малая усадка), что удешевляет изготовление деталей, хорошая обрабатываемость резанием (графит делает стружку ломкой), высокие антифрикционные свойства (смазывающее действие графита), нечувствительность к дефектам поверхности, надрезам, чугун гасит вибрации.