Диаграмма состояния сплавов железо — углерод (стабильное равновесие)

В железоуглеродистых сплавах существуют две содержащие углерод фазы — цементит, образующийся как метастабильная фаза, и графит, являющийся стабильной фазой. Поэтому на диаграмме состояния системы Fe — графит (прерывистые линии на рис. 7.8) и показано, что при стабильном равновесии графит образуется непосредственно из жидкой фазы или вследствие распада цементита Fe₃C —" 3Fe + С (Г). Образование графита в железоуглеродистых сплавах при распаде карбидов при переохлаждении ниже 1153 °C (рис. 7.8) называется графитизацией. Графит как натуральный, так и выделенный химическим путем из разных чугунов (рис. 7.9, а) представляет одну и ту же аллотропическую модификацию углерода.

По стабильной диаграмме Fe — С кристаллизуются (при добавлении графитизатора — Si и содержании постоянных примесей — Mn, Р, S) серые чугуньй (при испытаниях в изломе — серый цвет), структура которых в отливках зависит в первую очередь от химического состава и скорости охлаждения. ^1[1]

Рис. 7.9. Структура графита:

Графит, образующийся из жидкой фазы, растет из одного центра и, разветвляясь в разные стороны, приобретает дендритную форму с сильно искривленными лепестками (см. рис. 7.9), и в плоскости шлифа представляет собой их сечения. По форме графитовых включений подразделяют: серый, высокопрочный и ковкий чугуны.

а — включения графита, выделенные из чугуна, х 100; 6 — включения шаровидного графита состоят из кристаллов, растущих наружу из общего центра, х 100.

Рис. 7.8. Диаграмма железо — углерод с двойными линиями (сплошными — метастабильная железо — цементит, штриховыми — стабильная железо — графит):

Е С', D', F Р S', К' - узловые точки; фазы и структурные составляющие: Г — графит (первичный Г, вторичный Г₂); ГЭ — графитная эвтектика; линии: CD' — графитный ликвидус; E’C’F' — эвтектического равновесия; E’S' — растворимость графита в аустените; P’S’K' — эвтектоидного равновесия.

Серый технический чугун (СЧ) имеет графитовые включения пластинчатой формы (рис. 7.10, а) без предпочтительной ориентации (наиболее часто встречаемая форма графита) и розеточный гра;

Рис. 7.10. Микроструктура серых чугунов:

а — серый технический чугун, х 100; б — высокопрочный чугун (глобулярные включения графита окружены слоем феррита (светлый) в темной перлитной матрице, X 100); в — ковкий чугун (очертания графитовых выделений может быть совершенно неправильным, х 100).

фит (при кристаллизации с большими скоростями охлаждения). Чем меньше пластины и более изолированы, тем большую прочность и износостойкость имеют серые чугуны. Расплав серых чугунов обладает хорошей жидкотекучестыо, малой склонностью к образованию усадочных дефектов.

Высокопрочный чугун с графитовыми включениями шаровидной формы (рис. 7.10, б) или вермикулярной (промежуточной между шаровидной и пластинчатой) получают модифицированием расплава магния (0,03—0,07%).

Высокопрочные чугуны с шаровидным графитом (ВЧШГ) характеризуются наивысшей среди чугунов пластичностью и вязкостью, обеспечивают литым деталям высокие хладои ударостойкость, хорошую свариваемость и обрабатываемость резанием; прочность чугунов сопоставима с прочностью литой углеродистой стали. Высокопрочные чугуны с вермикулярным графитом (ЧВГ) особенно эффективны для изготовления отливок массой до 100 т с толщиной стенок до 500 мм, деталей сложной конфигурации, разностенных деталей. Обрабатываемость ЧВГ резанием лучше, чем ВЧШГ или стали.

Ковкий чугун с графитовыми включениями хлопьевидной формы получают графитизирующим отжигом отливок из белого чугуна (рис. 7.10, в). Благодаря компактному графиту ковкий чугун имеет повышенные значения прочности и пластичности. Но по сочетанию механических свойств и износостойкости уступает ВЧШГ. Из ковкого чугуна изготовляют тонкостенные детали и детали, работающие при ударных и вибрационных нагрузках.

В зависимости от степени графитизации, т. е. от того, какое количество углерода, входящего в состав чугуна, находится в химически связанном состоянии в виде Fe₃C, серые, высокопрочные и ковкие чугуны могут быть перлитными (структура П + Г), ферритно-перлитными (структура Ф + П + Г) и ферритными (структура Ф + Г).

• [1] Более подробно серые чугуны рассмотрены п гл. 9.