Формирование структуры чугуна

Структура чугуна формируется в процессе его первичной и вторичной кристаллизации, а также его перекристаллизации при термической обработке.

Первичная кристаллизация может протекать в соответствии со стабильной диаграммой состояния Fe-C с образованием графитной эвтектикой. В этом случае в отливках формируется структура серого, в том числе и высокопрочного, чугуна. При реализации этого процесса в соответствии со метастабильной диаграммой состояния Fe-Fe₃C первичная кристаллизация протекает с образованием цементитной эвтектики – Ледебурита. В этом случае в отливках формируется структура белого чугуна. При смешанном варианте протекания первичной кристаллизации в отливках формируется структура половинчатого чугуна.

Вторичная кристаллизация чугуна также может реализоваться в соответствии со стабильной Fe-C и метастабильной Fe-Fe₃C диаграммам состояния, а также по смешанному стабильно-метастабильному варианту. В первом случае аустенит распадается на ферритно-графитный эвтектоид и в структуре чугуна формируется ферритная металлическая матрица. Во втором случае эвтектоидное превращение протекает с образованием ферритно-цементитного эвтектоида и в структуре отливок формируется перлитная металлическая матрица. При реализации эвтектоидного превращения по смешанному варианту в отливке формируется ферритно-перлитная металлическая матрица.

Вторичная перекристаллизация чугуна протекает при отжиге белого чугуна и реализуется в области S`E`C`F`K` диаграммы состояния путем распада цементита на аустенит и графит. При этом последний выделяется в хлопьевдной форме, что является отличительным признаком ковкого чугуна.

Формирование литой структуры чугунной отливки определяется, прежде всего, процессами первичной кристаллизации. В зависи­мости от степени эвтектичности сплава его затвердевание начи­нается с образования избыточной фазы аустенита в доэвтектических или высокоуглеродистой фазы (углерода или цементита) - в заэвтектических чугунах. Но все чугуны претерпевают эвтектическое превращение. Оно оказыват определяющее влияние на структуру и свойства чугуна. В то же время является и наи­менее изученным вследствие сложности протекающих при этом процессов.

Рассмотрим формирование структуры доэвтектического чугуна. Его затвердевание начинается с выделения первичного аустенита пере­менного состава. Аустенит кристаллизуется в виде дендритов, количество и размеры которых определяются строением расплава и условиями его охлаждения. Первичный аустенит выделяется почти во всем объеме медленно кристаллизующейся отливки. При увеличении скорости охлаждения расплава растет объемная и линейная скорость кристаллизации, в результате по­лучаются более разветвленные дендриты. Когда скорость кристал­лизации ниже скорости теплоотвода, дендриты аустенита растут направленно (Рис. 3.2.1).

Рис. 3.2.1. Дендриты аустенита в кристал­лизующейся отливке

При эвтектическом превращении происходит распад жидкости на аустенит и высокоуглеродистую фазу. Последняя определяет конечную структуру чугуна. Он будет белым, если высокоуглеро­дистой фазой является цементит, или серым, если высокоуглероди­стой фазой является графит. При смешанной кристаллизации получается половинчатый чугун. Характер эвтектической кристаллизации существенно влияет на форму, размеры и распреде­ление графитовых включений в сером чугуне.

В случае относительно медленного охлаждения при эвтекти­ческом превращении происходит образование аустенита и гра­фита. При этом графит является ведущей фазой. Аустенит эвтектики частично выделяется на кристаллах первичного аустенита и ча­стично в непосредственном контакте с графитом, образуя аустенитно-графитовые колонии, чаще всего имеющие сферическую конфигурацию.

Кристаллическая структура графита, как известно, характеризуется замет­ной анизотропией. Атомы углерода в слое (базисной плоскости) расположены друг от друга на расстоянии 0,1421 нм, в то время как в перпендикулярном направ­лении расстояние между ближайшими атомами составляет 0,335 нм. Энергия связи углеродных атомов в плоскости базиса почти в 12 раз превышает энергию связи между атомами соседних базисных слоев (призменной грани). Рост графи­тового включения происходит диффузионным переносом атомов углерода. Обра­зовавшийся в жидкости эвтектического состава графит разрастается не равномер­но, а избирательно, преимущественно в направлении, параллельном базисной плоскости, где атомы удерживаются прочнее. При этом рост графита происходит не монослоем, а в виде многослойного пакета. С другой стороны, изменяются и условия доставки атомов углерода для достройки граней. Выделяющийся эвтек­тический аустенит в отдельных местах устраняет контакт графита с жидкой фа­зой, затрудняет доставку углерода к базисным граням. Вследствие этого графитные включения преимущественно растут непосредственно из жидкой фазы с формированием ступенек гексагональной формы (Рис. 3.2.2).

Рис. 3.2.2. Ступенчатый рост графитового кристалла (х 1000)

С повышением скорости охлаждения количество аустенитно-графитовых колоний увеличивается, размер их уменьшается и графит становится все более мелким. На размеры и распределение графита значительно влияет степень эвтектичности чугуна, т. е. степень приближения сплава по составу к эвтектическому. Чем меньше степень эвтектичности чугуна, тем большая часть сплава закристаллизовывается в виде первичного аустенита и меньше жидкого расплава остается к моменту начала эвтектического превращения. Это спо­собствует уменьшению количества графита и размельчению его включений.

На условия первичной кристаллизации также влияет присут­ствие в расплаве неметаллических включений, микропримесей и т. д. Например, Mg, Ce и некоторые другие элементы в количе­стве нескольких сотых или десятых процента существенно изме­няют характер кристаллизации сплава, вызывая последователь­ное изменение формы графита от пластинчатой до шаровидной.

Существует ряд гипотез для объяснения механизма формооб­разования графита. Н. Г. Гиршович объединил основные из них в три группы:

- гипотезы, устанавливающие определяющую роль природы, строения и формы зародышевой фазы;

- гипотезы, связывающие форму графитовых образований с ме­ханическим воздействием на растущий кристаллит;

- гипотезы, в которых приоритет имеют факторы, выравниваю­щие скорость роста отдельных граней графитовых включений.

Достаточно широкое распространение получили теории К. П. Бунина, Ю. Н. Тарана и Я. Н. Малиночки, согласно которым эвтектический аустенит, образуя оторочку вокруг растущего графита, выравнивает скорость подвода атомов углерода из жид­кой фазы и отвод атомов железа во всех направлениях, благодаря чему графит приобретает шаровидную форму.

Новые представления о механизме формообразования графита сформулировали на кафедре ТЛП МИСиС. Коллектив исследователей (А. М. Михайлов, Н. С. Беспа­лов, В. И. Воронцов, А. П. Воробьев и др.) использовали для исследования механизма роста графита оригинальный метод скоростного отделения жидкой фазы от закристаллизовав­шегося сплава (метод декантации). Они показали, что графитные включения представляю собой дендрит, ветви которых имеют вид лепестков. При малом ветвлении графитный дендрит имеет вид кактуса. При этом на металлографическом шлифе графитное включение выявляется как срез (сечение) лепеска и потому его идентифицируют как пластинчатый графит. При сильно развитом ветвлении графитный дентрит имеет вид «цветной» капусты и приобретает округлую форму. Все другие формы графита, в том числе вермикулярный графит, представлют собой графитный дендрит различной степени ветвления (Более детально этом вопрос рассмотрен в разделе 3.4).

Повышение скорости охла­ждения сплава и связанное с этим увеличение переохла­ждения могут 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 кристаллизующаяся фаза обогащается желе­зом. В этом случае наряду с аустенитом кристаллизуются и кар­биды. Такое торможение кристаллизации графита может быть полным. Тогда выделившаяся высокоуглеродистая фаза будет целиком состоять из карбидов, что приведет к образованию белого чугуна. При промежуточных скоростях охлаждения вместе с графитом кристаллизуются карбиды, что соответствует получению поло­винчатых чугунов.

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

Эвтектоидное превращение (распад аустенита) связано с пере­стройкой гранецентрированной решетки (у-Fе) в кубическую объемно-центрированную (а-Fе) и сопровождается резким из­менением растворимости углерода. В результате превращения образуются структуры, состоящие из феррита и высокоуглероди­стой фазы.

При очень малых скоростях охлаждения происходит полное диффузионное отделение углерода, выделяющегося в виде графита, преимущественно на его эвтектических включениях. В этом слу­чае окончательная структура чугуна будет состоять из феррита и графита.

При скорости охлаждения больше определенного крити­ческого значения высокоуглеродистой фазой станет цементит и будет образовываться ферритно-цементитная эвтектоидная смесь - перлит. В перлитных серых чугунах не протекает вторая стадия графитизации и, следовательно, количество графита уменьшается, а матрица упрочняется. Повышение скорости охлаждения способ­ствует получению более дисперсного перлита.

При промежуточ­ных скоростях охлаждения отливки в интервале температур эвтектоидного превращения формируется структура, состоящая из графита, перлита и феррита, что соответствует структуре серого чугуна с феррито-перлитной металлической матрицей.

Дата добавления: 2014-01-07