Влияние скорости охлаждения и химического состава чугуна на графитизацию

Графитизация из аустенита.

Когда при затвердевании и охлаждении Fe с «С» графит не успевает выделиться и образуется цементит, то графитизация в определенных условиях может происходить в твердом состоянии через аустенит, графитизация в этом случае состоит из следующих элементарных процессов:

1. Распад цементита (на графит и феррит при t ниже 738⁰С или на графит и аустенит при более высокой температуре) и растворение атомов «С» в аустените.

2. Образование центров графитизации в аустените

3.Диффузия атомов «С» в аустените к центрам графитизации.

4. Рост кристаллов (включений) графита.

Центры графитизации появляются после переохлаждения или пересыщения аустенита графитом.

Образование графита ведет к появлению поверхности раздела между фазами в чугуне, что увеличивает запас свободной поверхностной энергии. Таким образом, получается неустойчивое равновесие. Возникающие кристаллы графита непрерывно создаются и распадаются.

Когда кристаллы графита очень малы, прирост свободной энергии, связанный с образованием межфазной поверхности больше, чем уменьшение ее вследствие кристаллизации, поэтому образовавшиеся кристаллы неустойчивы и графит растворяется.

После достижения критической величины кристалла графита, когда суммарная свободная энергия его уменьшается, он становится устойчивым. С этого момента и начинается процесс графитизации.

По этой же причине образование графита, особенно из жидкого чугуна, гораздо легче происходит не в объеме, а в порах и трещинах, на стенках формы и на поверхности инородных частиц. Такими частицами могут быть нерастворившиеся частицы графита, оксиды и нитриды. При этом необходимо, чтобы параметры их решетки были близки к решетке графита. Такому требованию лучше всего удовлетворяют мельчайшие частицы SiO_2, Al₂O_3, AlN.

При графитизации в твердом состоянии в напряженных и дефективных местах кристаллической решетки появляются самопроизвольно зародившиеся центры графитизации.

На процесс графитизации влияют скорость охлаждения и химический состав чугуна. В толстых сечениях отливок, где охлаждение в форме медленнее, графитизация происходит полнее, поэтому графита образуется здесь больше, он крупнее и окружен полями феррита.

В тонких сечениях, где охлаждение протекает быстрее, графитизация затруднена, графита здесь образуется меньше, он мельче, а феррита почти нет.

В целях регулирования процесса графитизации детали крупного сечения отливаются из чугуна с меньшим содержанием Si и C, а детали тонкого сечения с большим содержанием их.

Когда требуется высокая твердость и высокое сопротивление износу, стремятся получить отбел, т.е. создают условия для образования цементита путем увеличения скорости охлаждения, следовательно, затормаживая графитизацию.

Элементы, образующие с железом твердые растворы, увеличивающие в его решетке число вакансий и смещений, облегчающих диффузию, способствуют графитизации. К таким элементам относятся Si, Ni, Al, Cu и другие. Они должны уменьшать энергию активации и ослаблять связи между атомами “С” и Fe.

Элементы - карбидообразователи (например, Cr, Mn) усиливающие связи атомов “С” и Fe и замедляющие перемещение атомов Fe в решетке, препятствуют графитизации. S и О₂ препятствуют графитизации, устраняя действие ее центров.

5. Формы графита.

Наибольшее применение в машиностроении имеют отливки из серого чугуна, излом которого имеет серый цвет из-за наличия в его структуре широких пластинчатых включений графита.

Образование графита лепестковой пластинчатой формы начинается в жидком чугуне и объясняется особенностью строения гексагональной решетки графита. Основания гексагональных призм, плотно населенные атомами “С”, т.е. с заполненными атомными связями, при графитизации неохотно присоединяют новые атомы “С” и растут медленно. Боковые грани, наоборот, обладая малой плотностью атомов и незаполненными атомными связями, легко присоединяют атомы “С” и растут быстро.

Кроме того, аустенит, кристаллизуясь на медленно растущих поверхностях графитных пластинок, затрудняет перемещение к ним атомов. Быстрорастущие кромки некоторое время остаются в расплаве, обеспечивающем более легкое перемещение атомов к фронту кристаллизации.

Все это способствует образованию в сером чугуне тонких изогнутых пластинок (лепестков) графита. При рассмотрении под микроскопом нетравленого шлифа графит выделяется в виде темных включений пластинчатой формы. Хлопьевидная форма графита встречается у ковкого чугуна как результат отжига (ковкий чугун получают отжигом отливок белого чугуна). В высокопрочном чугуне, поскольку он модифицирован магнием, графит приобретает шаровидную форму. Поверхность его мала по сравнению с объемом и в отличие от пластинчатого, шаровидный графит не является концентратором напряжений.

Дата добавления: 2014-01-11