Кристаллизация серого чугуна

Диаграмма состояния железо–углерод (железо–графит) – диаграмма стабильного равновесия

Образование стабильной фазы графита в чугуне может происходить в результате непосредственного выделения его из жидкого (твердого) раствора или вследствие распада предварительно образовавшегося цементита.

Процесс образования в чугуне графита называют графитизацией.

Штриховые линии на диаграмме (рис. 1) соответствуют выделению графита.

Графит образуется при очень малой скорости охлаждения, когда степень переохлаждения жидкой фазы невелика.

Ускоренное охлаждение частично или полностью прекращает кристаллизацию графита и способствует образованию цементита.

Наличие в жидком чугуне включений SiO₂, Al₂O₃, и др., а также введение Si способствует процессу графитизации.

Чугуны по технологическим свойствам обладают лучшими литейными характеристиками, чем стали, но малой способностью к пластической деформации (в обычных условиях не поддаются ковке). Чугун дешевле стали по технологии производства.

Кристаллизация серого чугуна

Серый чугун получил название по виду излома, который имеет серый цвет (из-за присутствия в структуре сплава свободного углерода – графита).

Наиболее широкое применение получили доэвтектические чугуны, содержащие 2,4 – 3,8% С. Такой чугун обладает хорошими литейными свойствами (С не < 2,4%). Содержание углерода > 3,8% способствует большему образованию графита, что ухудшает его механические свойства.

Серый чугун представляет собой по существу тройной сплав Fe – Si – C, в качестве неизбежных примесей находятся: Mn, Р и S.

Диаграмма Fe – C

Рисунок 1.

Кремний (Si) – содержится в количестве 1,2-3,5% – способствует выделению углерода в виде графита (т.е.влияет на строение, а следовательно на свойства чугунов).

Чем больше в чугуне углерода, тем меньше требуется кремния для получения заданной структуры.

Марганец (Mn) содержится в количестве 1,25 – 1,4 % – препятствует процессу графитизации, повышает способность чугуна к отбеливанию.

Сера (S) – содержится в количесве 0,1 – 0,2 % – способствует отбеливанию чугуна, ухудшает механические и литейные свойства. В чугуне находится в виде сульфатов – FeS, MnS или их твердых растворов (Fe, Mn)S.

Фосфор (Р) – содержится в количестве 0,2 – 0,5% –практически не влияет на процесс графитизации; улучшает литейные свойства (жидкотекучесть). Образует соединение Fe₃Р, входящее в эвтектику. Способствует повышению твердости, износостойкости, хрупкости.

Рассмотрим кристаллизацию сплава I:

Точка 1 – имеется равновесный набор фазовых и концентрационных флуктуаций.

Точка 2 – объем и размеры фазово-концентрационных флуктуаций увеличивается.

Ниже точки 2 до точки 3 – жидкая фаза насыщается по отношению к аустениту (г-Fe).

Состав аустенита при охлаждении меняется по линии солидус: аЕ’, а состав жидкой фазы: бС’.

В точке 4 жидкая фаза (Ж_С) насыщенна одновременно по отношению к аустениту (А_С’) и углероду (графиту) и ниже точки 4:

Ж_С ⇆ А_С’ + Г.

(не называть ледебуритом)

При охлаждении от точки 4 до точки 5 происходит обеднение аустенита углеродом по линии E’S’, в результате выделяется графит который наслаивается на эвтектический графит.

Линия Р’S’K’ – линия эвтектоидного равновесия.

Ниже этой линии происходит превращение:

А_S’ ⇄ Ф_Р’ + Г.