Диаграмма состояния железо-графит (рис. 11, пунктирные линии) повторяет те же линии, что и диаграмма состояния железо–углерод (сплошные линии). Линии диаграммы состояния железо–графит несколько смещены относительно линий диаграммы состояния железо–углерод. Это значит, что в эвтектической точке С' при другой концентрации углерода 4,26% и температуре 1153°С будет происходить при охлаждении распад жидкости на аустенит и графит (графитная эвтектика). В эвтектоидной точке S' при 0,7%-ном содержании С и температуре 738 °С будет происходить при охлаждении распад аустенита на феррит и графит (графитный эвтектоид). Соответственно линия Ε’С’F’ - эвтектическая линия, линия P'S'K! - эктектридная линия. Ниже этих линий располагаются двухфазные области: Е’С’F’К’S’Ε’ - аустенит и графит HP'S'K'L Q’P' - феррит и графит.
Рис. 11. Диаграмма состояния железо - графит (в упрощенном виде): сплошные линии - цементитная система; пунктирные линии - графитная система
Рис. 12. Схема образования структур при графитизации
На линии ликвидус левее точки С' при охлаждении сплавов из жидкости выделяется аустенит, а правее точки С' - графит. Процесс образования графита носит название графитизации. Для протекания процессов графитизации в соответствии с диаграммой состояния железо-графит охлаждение должно быть медленным. При более быстром охлаждении образуются белые чугуны. Кроме рассмотренного процесса образования графита, при кристаллизации железоуглеродистых сплавов может наблюдаться другой способ образования графита в результате распада цементита при нагревании. Цементит Fe3C - неустойчивое соединение. При определенных условиях (температуре) он распадается на феррит и графит: Ц→ Ф + Г.
Допустим, что охлаждение было достаточно быстрым и получился белый чугун, состоящий из ледебурита (перлит + цементит). Для графитизации белый чугун нагревают выше линии Р’S'К' (рис. 12),в результате чего происходит превращение П + Ц→ А + Ц. В процессе выдержки при высокой температуре протекает распад цементита с выделением графита: Ц → А +Г (I стадия графитизации). При охлаждении ниже линии Р'S’К' происходит превращение А → П, и если провести полное охлаждение, то структура чугуна будет состоять из Π + Г (прямая 3). Такой чугун, считают, имеет перлитную основу. Если чугун выдержать при температуре ниже линии Р'S'К', то цементит в перлите распадется (ЦП→ Ф + Г) частично или полностью при большей выдержке (И стадия графитизации). В результате структура чугуна может состоять из П + Ф + Г или Φ + Г при полном охлаждении (соответственно прямые 4 и 5). Эти чугуны называют чугунами соответственно на перлитно-ферритной и ферритной основах. Если белый чугун нагреть выше линии Ρ'S'К' и сразу охладить, то он приобретет исходную структуру П + Ц (прямая 7). Если белый чугун нагреть выше линии Ρ'S'К' и осуществить небольшую выдержку при этой температуре, то произойдет частичный распад Ц→· А + Г, и после полного охлаждения чугун будет иметь структуру Ц + Π + Г (половинчатый чугун) (прямая 2).
Рис. 13. Микроструктуры серого чугуна с графитом пластинчатой формы на ферритной (а), ферритно-перлитной (б), перлитной (в) основе и с вермикулярным графитом (червеобразным) на ферритной (г), ферритно-перлитной (д), перлитной (е) основе; ковкого чугуна с хлопьевидным графитом на ферритной (ж), ферритно-перлитной (з) и перлитной (и) основе; высокопрочного чугуна с шаровидным графитом на ферритной (к), ферритно-перлитной (л) и перлитной (м) основе
Чугуны с включениями графита подразделяются главным образом на серые, ковкие и высокопрочные чугуны. а также и другие их разновидности, в которых на ферритной, перлитной или ферритно-перлитной основе располагается свободный углерод в виде графита (рис. 13). В серых чугунах графит присутствует в виде прожилок (чешуек), в ковких чугунах – в виде хлопьев и в высокопрочных чугунах – в шаровидной (сферической) форме. В связи с изменением формы включений графита в чугунах существенно изменяются их свойства. Чугун, как и сталь, представляет собой сплав железа с углеродом (2,14–6,67%) в сочетания с различными примесями (марганец, кремний, сера, фосфор и др.), но при большем их содержании.
Серые чугуны маркируют буквами СЧ и двузначными числами. Например, СЧ15, где число показывает значение предела прочности при растяжении: σв = 150 МПа. Чем крупнее прожилки графита в сером чугуне, тем хуже его механические свойства.
Для получения ковкого чугуна белый чугун (доэвтектический) подвергают длительному нагреву (отжигу), что приводит к получению в нем включений графита в виде хлопьев (см. рис. 13, г–е). Ковкие чугуны имеют лучшие механические свойства, чем серые, так как обладают некоторой пластичностью. Их маркируют буквами КЧ, а затем числами, обозначающими также предел прочности при растяжении.
Высокопрочные чугуны получают введением в ковш с жидким чугуном небольших добавок, например магния, что приводит к образованию включений графита шаровидной формы (см. рис. 13, ж). Маркируют его буквами ВЧ и числами, обозначающими предел прочности при растяжении. Например, ВЧ40, ВЧ45, ВЧ100. Высокопрочный чугун с шаровидным графитом по свойствам приближается к стали, он обладает определенным запасом пластичности и даже вязкости в зависимости от структуры (марки).
Получение в чугунах углерода в виде графита различных форм и размеров, а также введение в них легирующих элементов приводит к изменению их механических свойств и позволяет в ряде случаев заменять ими стальное литье и поковки при почти равноценных механических свойствах.