Кристаллизация и структурообразование чугуна

Свойства чугуна определяются его структурой. Поэтому графитизация влияет не только на количество, форму и распределение графита, но и строение металлической основы.

Рассмотрим структурообразование чугуна на примере кристаллизации доэвтектического чугуна. Его затвердевание начинается с выделения первичного аустенита переменного состава. Он кристаллизуется в виде дендритов, количество и размеры которых определяются числом содержащихся в сплаве зародышей и величиной переохлаждения. Последняя при прочих равных условиях зависит от скорости охлаждения. Это приводит к тому, что при увеличении скорости охлаждения расплава растет объемная и линейная скорость кристаллизации, в результате получаются более разветвленные дендриты. Увеличение переохлаждения может вызвать спонтанное образование дополнительных зародышей и размельчение дендритов.

Наиболее важным этапом кристаллизации чугуна является эвтектическое превращение, при котором происходит распад жидкости на аустенит и высокоуглеродистую фазу. Последняя определяет конечную структуру чугуна. Он будет белым, если высокоуглеродистой фазой является карбид (метастабильная система) или серым, если высокоуглеродистой фазой является графит (стабильная система). При смешанной кристаллизации получается половинчатый чугун. Характер эвтектической кристаллизации очень влияет на форму, величину и расположение графитовых включений в сером чугуне.

При медленном охлаждении при эвтектическом превращении выделяется аустенит и графит. Аустенит эвтектики частично выделяется на кристаллах первичного аустенита и частично в непосредственном контакте с графитом, образуя аустенитно-графитовые колонии, чаще всего имеющие сферическую форму.

Образовавшийся в жидкой фазе кристалл графита разрастается не равномерно, а избирательно в направлении выступающих частей.

Кристаллизующийся одновременно с графитом аустенит устраняет при этом контакт графита с жидкой фазой. Рост графитового включения происходит диффузионным переносом атомов углерода из жидкого расплава через аустенитовую оболочку. Различная скорость диффузии приводит к различной скорости роста включения: повышенной в направлении ББ и пониженной в направлении ВВ, что определяет получение графита пластинчатой формы.

Рисунок – Схема формирования пластинчатого графита

С увеличением скорости охлаждения количество аустенитографитовых колоний повышается, размер их уменьшается и графит становится все более мелким.

На размеры и расположение графита может также влиять степень эвтектичности чугуна, т.е. мера, в какой сплав приближается по составу к эвтектическому. На характеристику «эвтектичности» чугуна влияет содержание углерода и наличие элементов (в первую очередь, кремния), сдвигающих критическую точку С на диаграмме в сторону уменьшения содержания углерода в эвтектике.

Чем меньше степень эвтектичности чугуна, тем большая часть сплава успевает закристаллизоваться в виде первичного аустенита и меньше жидкого расплава остается к моменту начала эвтектичного превращения. Это способствует уменьшению количества графита, размельчению его включений и постепенному переходу от произвольного расположения к ориентированному вдоль осей дендритов первичного аустенита.

На условия первичной кристаллизации также влияет присутствие в расплаве неметаллических включений, могущих быть зародышами кристаллов и некоторых элементов, находящихся в весьма малых количествах. Например, Mg, Се и некоторые другие элементы, даже если чугун содержит несколько сотых процента этих элементов, вызывают такие изменения условий кристаллизации, при которых графит растет в виде компактных включений шаровидной (глобулярной) формы.

Повышение скорости охлаждения сплава и связанное с этим увеличение переохлаждения может качественно изменить характер продуктов эвтектического превращения.

Продолжительность пребывания сплава в жидком состоянии в период эвтектического превращения, вследствие высокой скорости охлаждения, настолько сокращается, что выделение углерода из жидкой фазы и раздельная кристаллизация графита и аустенита происходят не в полной мере, в результате кристаллизующая фаза обогащается железом. В этом случае наряду с аустенитом кристаллизуются карбиды. Такое торможение кристаллизации графита может быть полным и выделившаяся высокоуглеродистая фаза будет целиком состоять из карбидов, что соответствует образованию структуры белого чугуна.

При промежуточных скоростях охлаждения торможение кристаллизации графита может быть частичным, тогда вместе с графитом кристаллизуются карбиды, что соответствует получению чугунов с половинчатой структурой.

Структура чугуна окончательно формируется при эвтектоидном превращении. При кристаллизации серого чугуна к моменту эвтектоидного превращения основными структурными составляющими являются аустенит и графит, образовавшийся при эвтектическом превращении и выделившийся из аустенита вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените при охлаждении в интервале температур от эвтектического до эвтектоидного превращения.

При эвтектоидном превращении происходит переупаковка атомов железа из кубической гранецентрированной решетки (γ-Fe) в кубическую объемноцентрированную (α-Fe) и диффузионное отделение углерода от железа. В результате превращения образуются структуры, состоящие из феррита и высокоуглеродистой фазы.

При очень малых скоростях охлаждения происходит полное диффузионное отделение углерода, кристаллизующегося в виде графита. В этом случае окончательной структурой чугуна будет феррит и графит. При скорости охлаждения больше критических величин, зависящих от состава чугуна, высокоуглеродистой фазой является цементит, который образует ферритно-цементитную эвтектойдную смесь – перлит. Окончательной структурой будет перлит и графит. При промежуточных скоростях охлаждения структура чугуна имеет графит, перлит и феррит. Повышение скорости охлаждения способствует получению более дисперсного перлита.

Дата добавления: 2014-01-06