форма графита серый чугун

Форма графита серый чугун

В зависимости от формы графитных включений различают серые, высокопрочные, ковкие чугуны и чугуны с вермикулярным графитом.

Серые чугуны получают при меньшей скорости охлаждения отливок, чем белые. Они содержат 1–3 %Si, обладающего сильным графитизирующим действием.

Серый чугун широко применяется в машиностроении. Он хорошо обрабатывается режущим инструментом. Из него производят станины станков, блоки цилиндров, фундаментные рамы, цилиндровые втулки, поршни и т.д.

Серые чугуны согласно ГОСТ 1412–85 маркируются буквами «СЧ» и далее следует величина предела прочности при растяжении (в кГ/мм 2 ), например СЧ 15, CЧ 20, СЧ 35 (табл. 1).

Графит в сером чугуне наблюдается в виде темных включений на светлом фоне нетравленного шлифа. По нетравленному шлифу оценивают форму и дисперсность графита, от которых в сильной степени зависят механические свойства серого чугуна.

Серые чугуны подразделяют по микроструктуре металлической основы в зависимости от полноты графитизации.

Степень или полноту графитизации оценивают по количеству свободно выделившегося (несвязанного) углерода.

Полнота графитизации зависит от многих факторов, из которых главными являются скорость охлаждения и состав сплава. При быстром охлаждении кинетически более выгодно образование цементита, а не графита. Чем медленнее охлаждение, тем больше степень графитизации. Кремний способствует графитизации, а марганец – карбидообразующий элемент – затрудняет графитизацию.

Рис. 3. Схемы микроструктур графитизированных чугунов:
а) серые; б) высокопрочные; в) ковкие; г) с вермикулярным графитом

Если графитизация в твердом состоянии прошла полностью, то чугун содержит две структурные составляющие – графит и феррит. Такой сплав называется серым чугуном на ферритной основе (рис. 3, а). Если же эвтектоидный распад аустенита прошел в соответствии с метастабильной системой

то структура чугуна состоит из графита и перлита. Такой сплав называют серым чугуном на перлитной основе. Наконец, возможен промежуточный вариант, когда аустенит частично распадается по эвтектоидной реакции на феррит и графит, а частично с образованием перлита. В этом случае чугун содержит три структурные составляющие – графит, феррит и перлит. Такой сплав называют серым чугуном на феррито-перлитной основе.

Феррит и перлит в металлической основе чугуна имеют те же микроструктурные признаки, что и в сталях. Серые чугуны содержат повышенное количество фосфора, увеличивающего жидкотекучесть и дающего тройную эвтектику.

В металлической основе серого чугуна фосфидная эвтектика обнаруживается в виде светлых, хорошо очерченных участков.

Высокопрочные чугуны с шаровидным графитом получают модифицированием серого чугуна щелочно-земельными элементами. Чаще для этого используют магний, вводя его в жидкий расплав в количестве 0,02–0,03 %. Под действием магния графит кристаллизуется в шаровидной форме (рис. 3, б). Шаровидные включения графита в металлической матрице не являются такими сильными концентраторами напряжений, как пластинки графита в сером чугуне. Чугуны с шаровидным графитом имеют более высокие механические свойства, не уступающие литой углеродистой стали.

Маркируют высокопрочный чугун согласно ГОСТ 7293–85 буквами «ВЧ» и далее следует величина предела прочности при растяжении (в кГ/мм 2 ), например ВЧ 40, ВЧ 45, ВЧ 80 (табл. 2). Так же, как и серые чугуны, они подразделяются по микроструктуре металлической основы в зависимости от полноты графитизации и могут быть ферритными, феррито-перлитными и перлитными. Высокопрочный чугун используется во многих областях техники взамен литой и кованой стали, серого и ковкого чугунов. Высокие механические свойства дают возможность широко применять его для производства отливок ответственного назначения, в том числе и в судовом машиностроении: головок цилиндров, турбокомпрессоров, напорных труб, коленчатых и распределительных валов и т.п.

Ковкие чугуны получают путем отжига отливок из белого чугуна. Получение ковкого чугуна основано на том, что вместо неустойчивого цементита белого чугуна при повышенных температурах образуется графит отжига белого чугуна. Мелкие изделия сложной конфигурации, отлитые из белого чугуна, отжигают (получают ковкий чугун) для придания достаточной пластичности, необходимой при их использовании в работе. Ковкий чугун согласно ГОСТ 1215–79 маркируют буквами «КЧ» и далее следуют величина предела прочности при растяжении (в кГ/мм 2 ) и относительного удлинения (в %), например, КЧ 35-10, КЧ 60-3 (табл. 3).

Графитизация идет путем растворения метастабильного цементита в аустените и одновременного выделения из аустенита более стабильного графита. Чем больше время выдержки при отжиге и меньше скорость охлаждения, тем полнее проходит графитизация. В зависимости от графитизации встречаются те же три основные типа структур, что и в сером чугуне: ковкие чугуны на ферритной, феррито-перлитной и перлитной основах (рис. 3, в). От серых (литейных) чугунов ковкие чугуны отличаются по микроструктуре только формой графита.

Если на шлифах (рис. 3, а) серых чугунов графит имеет форму извилистых прожилок, то в ковких чугунах графит, называемый углеродом отжига, находится в форме более компактных хлопьевидных включений с рваными краями. Более компактная форма графита обеспечивает повышение механических свойств ковкого чугуна по сравнению с серым чугуном с пластинчатым графитом. Обладая механическими свойствами, близкими к литой стали и высокопрочному чугуну, высоким сопротивлением ударным нагрузкам, износостойкостью, обрабатываемостью резанием, ковкий чугун находит свое применение во многих отраслях промышленности. Из него изготавливают поршни, шестерни, шатуны, скобы, иллюминаторные кольца и др.

Чугуны с вермикулярным графитом получают, как и высокопрочные чугуны, модифицированием, только в расплав при этом вводится комплексный модификатор, содержащий магний и редкоземельные металлы. Маркируют чугуны с вермикулярным графитом согласно ГОСТ 28394–89 буквами «ЧВГ» и далее следует цифра, обозначающая величину предела прочности при растяжении (кГ/мм 2 ), например, ЧВГ 30, ЧВГ 45 (табл. 4). Вермикулярный графит подобно пластинчатому графиту виден на металлографическом шлифе в форме прожилок, но они меньшего размера, утолщенные, с округлыми краями (рис. 3, г). Микроструктура металлической основы ЧВГ также как у других графитизированных чугунов может быть ферритной, перлитной и феррито-перлитной.

По механическим свойствам чугуны с вермикулярным графитом превосходят серые чугуны и близки к высокопрочным чугунам, а демпфирующая способность и теплофизические свойства ЧВГ выше, чем у высокопрочных чугунов. Чугуны с вермикулярным графитом более технологичны, чем высокопрочные, и соперничают с серыми чугунами. Для них характерны высокая жидкотекучесть, хорошая обрабатываемость резанием, малая усадка. Чугуны с вермикулярньм графитом широко используются в мировом и отечественном автомобилестроении, тракторостроении, судостроении, дизелестроении, энергетическом и металлургическом машиностроении для деталей, работающих при значительных механических нагрузках в условиях износа, гидрокавитации, переменном повышении температуры. Например, ЧВГ используется для производства цилиндровых крышек и втулок, поршней судовых и тепловозных двигателей, корпусов газовых турбин и компрессоров.

Морской государственный университет имени адмирала Г.И. Невельского. Кафедра технологии материалов

Источник

Серые, ковкие и высокопрочные и чугуны

В промышленности широко применяются чугуны, в которых весь углерод или часть его находится в виде графита: серые, высокопрочные, ковкие чугуны.Наличие графита в них обеспечивает пониженную твердость, хорошую обрабатываемость резанием и высокие антифрикционные свойства благодаря низкому коэффициенту трения. Вместе с тем включения графита, нарушающие сплошность металлической основы сплава, вызывают снижение прочности и пластичности, особенно, при растягивающих нагрузках.

Процесс образования графита называется графитизацией.

Графитизации способствует повышенное содержание углерода и кремния (C + Si = 5-7 %), а также медленное охлаждение. Различие структур серых, высокопрочных и ковких чугунов заключается в форме графитных включений. В сером чугуне графит имеет пластинчатую форму (в разрезе в виде прожилок), в высокопрочном чугуне – шаровидную форму, в ковком – хлопьевидную форму (рис.1.10).

Происхождение графита по микроструктуре (доэвтектический, эвтектический, заэвтектический) различить невозможно. Поэтому принято классифицировать данные чугуны по структуре металлической основы в зависимости от полноты графитизации.

Если графитизация в твердом состоянии прошла полностью (А® Ф +Г), то металлическая основа чугуна – ферритная. При неполной графитизации частично образуется цементит ( А® П+Г), металлическая основа – перлитная. Возможен промежуточный вариант, когда аустенит частично распадается на феррит и цементит. В этом случае основа ферритно-перлитная (А® Ф+П+Г).

Огромное влияние на свойства чугуна оказывает форма графитных включений.

Рис.1.10. Основные формы графитных включений в чугуне:

а – пластинчатая (серый чугун); б – шаровидная (высокопрочный чугун); в – хлопьевидная (ковкий чугун)

Пластинчатая форма графитных включений особенно сильно снижает пластичность и предел прочности чугуна при растяжении; по мере округления графитных включений (хлопьевидная, шаровидная формы) отрицательное влияние их уменьшается.

Степень разупрочняющего и охрупчивающего действия графита определяется конфигурацией его включений в чугуне (табл.1.2).

Зависимость пластичности чугуна от формы графита

Структура серых, ковких и высокопрочных чугунов состоит из металлической основы и графита; свойства чугуна будут зависеть от свойств металлической основы, количества, размеров и формы графитных включений.

Серый чугун – чугун, в котором углерод находится в виде графита преимущественно в форме изогнутых пластин или разветвленных розеток с пластинчатыми лепестками.Он обладает низкой вязкостью и пластичностью и не выдерживает динамических нагрузок.

Серые чугуны содержат помимо углерода (3,2-3,8 % С) и железа специально вводимые элементы, способствующие графитизации (выделению углерода в виде графита), основным из которых является кремний (1-5 % Si). Степень графитизации возрастает при увеличении содержания углерода и наличия меди и никеля, которые попадают из руды. Сера, марганец и хром являются элементами, затрудняющими графитизацию (отбеливающими). Отливки из серого чугуна получают в земляных или металлических формах. Структура отливок (количество графита и основы) зависит от скорости охлаждения, определяемой как методом литья, так и в большей степени толщиной стенки отливки (рис. 1.11).

Рис.1.11. Структурная диаграмма чугунов: а – влияние углерода и кремния на структуру чугуна; б –влияние скорости охлаждения ( толщины стенки) и суммы С + Si на структуру чугуна; I – белые чугуны; II – V – серые чугуны

Включения графита в серых чугунах можно рассматривать как трещины и даже как пустоты, так как графит обладает очень низкими механическими свойствами. Механические свойства понижаются тем больше, чем крупнее графитные включения и чем больше их в единице объема.

Серые чугуны маркируются буквами СЧ и числом соответствующий пределу прочности при растяжении (например, СЧ 20; σ_В =20кгс/мм 2 ).

По структуре металлической основы серые чугуны делятся на три вида: перлитный (структура перлит + графит), феррито-перлитный (структура феррит + перлит + графит), ферритный (структура феррит + графит) (рис.1.12).

а б в

Рис. 2.12. Микроструктура серого чугуна: а – ферритный, б – феррито-перлитный, в – перлитный; (x500), травление 4 %-ным спиртовым раствором азотной кислоты)

Механические свойства серого чугуна (табл.1.3) зависят от свойств металлической основы, которая по строению и свойствам близка стали, а также от формы и размера графитовых включений.

Графит имеет очень низкую прочность, поэтому полости, занятые им, действуют как надрезы и трещины в металлической основе чугуна и значительно снижают его прочность и пластичность. Относительное удлинение серых чугунов при растяжении не превышает 0,5 %. Чем больше графита и крупнее его включения, тем ниже механические свойства. Измельчение графитовых включений достигается путем модифицирования.

Серые чугуны используются для деталей, не испытывающих ударных нагрузок и работающих на сжатие и изгиб. Они поглощают вибрацию. К основным характеристикам серого чугуна относится предел прочности при растяжении, определяющий его марку (СЧ20, предел прочности σ_В =20 кгс/мм 2 ).

Механические свойства и химический состав серых чугунов

Из серого чугуна изготовляют три марки антифрикционных чугунов (АСЧ1, АСЧ2, АСЧ3). Антифрикционные свойства и назначение (табл. 2.6) определяются соотношением перлита и феррита в основе, количеством и формой графита.

Высокопрочный чугун – чугун, в котором графит имеет шаровидную форму (рис. 1.10).

Его получают путем модифицирования в ковше жидкого чугуна, не отличающегося по составу от серого (3,0-3,6 % С; 2,0-3,1 % Si), церием или магнием (0,03-0,07 %) или магниевой лигатурой (20 % Mg + 80 % Ni).

По структуре высокопрочный чугун разделяют на ферритный и перлитный (рис. 2.13).

Шаровидный графит, имеющий минимальную поверхность при данном объеме, значительно меньше ослабляет металлическую основу (по сравнению с пластинчатой). Прочностные свойства этих чугунов наиболее высокие. Высокопрочные чугуны не уступают в прочности углеродистым конструкционным сталям, подвергаемым термической обработке. Пластичность этих чугунов удовлетворительная, но несколько уступает стали.

Для повышения механических свойств высокопрочные чугуны нередко подвергают термической обработке. Высокопрочные чугуны обозначаются (маркируются) буквами ВЧ и числом, показывающим предел прочности s_В. Высокопрочные чугуны широко применяются в автостроении и дизелестроении: коленчатые валы, крышки цилиндров и др.; в прокатных станах – прокатные валки и др.; в химической и нефтяной промышленности – корпуса насосов, вентили и т.п.

Механические свойства и назначение высокопрочных чугунов приведены в таблице 1.4.

Механические свойства высокопрочных чугунов

Из высокопрочного чугуна изготовляют две марки антифрикционных чугунов (АЧВ-1 и АЧВ-2) для деталей, работающих в узлах трения при повышенных и высоких давлениях (табл.1.6).

Ковкий чугун имеет в структуре графит хлопьевидной формы (рис. 2.14) и в связи с этим характеризуется высокой пластичностью.

а б

Детали из ковкого чугуна получают из отливок белого доэвтектического чугуна (2,4-3,4 % С) путем длительного отжига – томления, поэтому графит ковких чугунов носит название углерод отжига. Отливки должны быть сравнительно небольшими (толщина сечения не должна превышать 40-50 мм), чтобы исключить графитизацию сердцевины при медленном охлаждении массивной детали.

По структуре металлической основы ковкие чугуны бывают ферритными и перлитными.

Отливки из белого чугуна, предназначенные для отжига на ковкий чугун, упаковывают в специальные ящики. Первый этап отжига при температуре 950…970 °С обеспечивает распад цементита, входящего в состав ледебурита, и получение перлитного ковкого чугуна. Получение ферритного ковкого чугуна обеспечивается последующим понижением температуры до 720…740 °С и длительной выдержкой в указанных условиях, во время которой происходит распад цементита перлита с образованием феррита и графита (рис.1.15).

Рис. 1.15. Схема отжига белого чугуна на ковкий,

ферритный и перлитный чугуны

Процесс протекает очень медленно (до 100 часов) и зависит от структуры отливки и ряда технологических факторов. Для ускорения отжига часто чугун модифицируют (алюминием, бором и т.п.), что позволяет сократить время отжига на ферритный ковкий чугун до 24-60 часов.

Ковкие чугуны обозначаются символом КЧ, после которого указывается предел прочности s_в и относительное удлинение d : КЧ55-4.

Внутренние напряжение в ковком чугуне полностью снимаются во время отжига.

Механические свойства и химический состав ковких чугунов

Источник

Форма графита серый чугун

Диаметр ячеек сетки

ФЭд и цифровое значение среднего диаметра ячеек сетки (мкм)

ФЭп и цифровое значение средней площади изолированных включений (мкм )

Ц и цифровое значение средней площади (%), занятой цементитом на микрошлифе

Цп и цифровое значение средней площади изолированных включений цементита (мкм )

2. ОТБОР И ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОБРАЗЦОВ

2.1. Образцы для приготовления шлифов исследования структуры вырезаются из отливок, приливных или специально отлитых проб, а также литых заготовок, применяемых для изготовления образцов для механических испытаний.

Не допускается применять образцы, вырезанные из стояка, выпора или прибыли.

Допускается подготовка шлифа на рабочей поверхности отливки без вырезки специального образца.

2.2. Отбор образцов и изготовление шлифов для определения структуры проводят таким образом, чтобы не нарушать в них структуру чугуна.

Если в технических условиях на отливку указана термическая обработка, то образцы для анализа структуры отбирают после термической обработки.

Специально отлитые заготовки, приливы или пробы для образцов подвергают термической обработке вместе с отливкой.

2.3. Порядок отбора и количество образцов для определения структуры, а также требования по структуре чугуна указываются в технических условиях на отливку.

2.4. При вырезке образцов из отливки следует учитывать неоднородность структуры чугуна в зависимости от толщины стенки и длины отливки.

Образцы отбирают таких размеров и сечений, чтобы они давали полное представление о структуре отливок.

Место вырезки образцов из отливки должно быть определено на чертеже.

При определении структуры на образцах, вырезанных из приливов к отливкам, или отдельно отлитых проб необходимо, чтобы толщина стенки и условия кристаллизации прилива (или пробы) и отливки были одинаковыми.

Размер прилива и его расположение на отливке должны быть указаны на чертеже.

При определении структуры непосредственно на рабочей поверхности отливки шлиф изготавливают на глубине, равной припуску на механическую обработку. Допускается также изготовление шлифа после механической обработки отливки.

3. ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ

3.1. Поверхность шлифа должна быть зеркальной, без рисок от операций шлифования и полирования, окислов и других загрязнений.

Для травления поверхности шлифа применяют реактивы, приведенные в приложении 2.

3.3. Для определения структуры чугуна шлифа просматривают под микроскопом при увеличениях, указанных на эталонных шкалах приложения 3.

Для оценки структуры выбирают участки шлифа, расположенные от его края на расстоянии не менее или толщины или диаметра образца.

3.4. Оценка структуры чугуна проводится визуально сопоставлением структуры, видимой в микроскопе, со структурой эталона соответствующей шкалы.

Для более точной оценки структуры следует применять линейный, точечный или планиметрический методы количественной металлографии, а также специальные автоматические установки Квантимет, Эпиквант и др.

3.5. Определение содержания графита

Если в структуре чугуна имеется графит различной формы, то следует визуально оценивать процентную долю каждой формы и указывать ее при обозначении структуры.

Длина включений пластинчатого графита, мкм

Диаметр включений шаровидного или компактного графита, мкм

Источник

СТРУКТУРА, МЕХАНИЧЕСКИЕ, ЛИТЕЙНЫЕ СВОЙСТВА И СТАНДАРТИЗАЦИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ЧУГУНОВ

Состав и формы графита в чугунах

Варьируя химический состав, скорость затвердевания и режимы термической обработки, можно в значительной степени управлять свойствами чугуна. Одним из наиболее важных процессов, определяющих свойства чугуна, является его графитизация. Графитная фаза придает чугуну ряд свойств, которые невозможно встретить в других сплавах.

Чугунами принято называть сплавы железа с углеродом, которые содержат в структуре эвтектику. Помимо углерода и кремния чугуны содержат и другие элементы. Эти примеси разделяют на две группы: 1) технологические или обычные примеси, попадающие в состав чугуна в процессе производства; 2) легирующие и модифицирующие – специально вводимые элементы для регулирования структурообразования и свойств чугуна. К обычным примесям относят фосфор, серу, марганец, газы (водород, азот, кислород). Нелегированным считают чугун, содержащий до 3,5–4,0 % Si, до 1,5-2,0 % Mn, до 0,3 % P, до 0,2-0,3 % S и менее 0,1 % Cr, Ni Cu. Содержание основного компонента – углерода,– составляет около 4 %, и его оптимальное значение зависит от содержания других элементов. Количество фосфора может доходить до 0,8 % при производстве отливок специального назначения, например, для художественного литья (каслинское литье). Возможное содержание газов зависит от способа выплавки чугуна и может изменяться от 10,6 (вагранка) до 7,1 см 3 /100 г (индукционная печь). Наиболее распространенными легирующими элементами являются хром, никель, алюминий, медь, титан, вольфрам и др. Обычные примеси (марганец, кремний) могут быть легирующими элементами при повышенном их содержании. В качестве модифицирующих добавок в чугуны вводят магний, кальций, церий, лантан, сурьму, висмут и другие элементы. Такие чугуны называют модифицированными.

Для анализа процессов структурообразования в чугунах используют обычно двойную диаграмму состояния Fe – C. Из диаграммы следует, что в двойных сплавах область чугунов начинается для С > 2,03–2,06 %. По содержанию углерода для двойной диаграммы чугуны разделяют на доэвтектические (C 4,3 %). Для затвердевания доэвтектического чугуна характерно то, что кристаллизация начинается с появления дендритов первичного аустенита. При затвердевании же заэвтектического чугуна процесс кристаллизации начинается с появления графитных или цементитных частиц.

Деление чугунов на до–, за– и эвтектические по содержанию углерода достаточно условно. Однако для практики литейного производства эвтектичность имеет особое значение – чугуны эвтектического состава обладают лучшими технологическими свойствами. Они имеют меньшую усадку и максимальную жидкотекучесть (из всех сплавов температура кристаллизации эвтектики минимальна, отсутствует интервал кристаллизации – твердо-жидкого состояния). Поэтому для оценки эвтектичности промышленных чугунов вводят показатели углеродного эквивалента или степени эвтектичности.

Углеродный эквивалент учитывает смещение фигуративной точки сплава на двойной диаграмме железо–углерод под влиянием примесей, чаще всего, кремния и фосфора:

Степень эвтектичности показывает относительное содержание эвтектики в чугуне и определяется как:

Чем ближе С_экв к 4,3 %, тем ближе структура чугуна к эвтектической, тем меньше избыточной фазы (аустенита, графита или цементита). Этому же соответствует S_эвт=1,0. Влияние остальных элементов в указанных выше количествах несущественно. Необходимо учитывать, что углеродный эквивалент и степень эвтектичности являются скорее литейными, чем металлографическими характеристиками. При содержании углерода более 4,3 % S_эвт становится больше 1,0 (100 %), хотя доля эвтектики в сплаве падает. В легированных чугунах углеродный эквивалент будет более сложным образом зависеть от содержания других элементов. Например, многие высокоуглеродистые среднелегированные инструментальные стали по структурному типу являются чугунами (имеют в структуре эвтектику).

Рисунок 1.1 – Схемы микроструктур чугуна: а – серый чугун на ферритной основе; б – чугун с вермикулярным графитом; в – серый феррито-перлитный чугун; г – серый чугун на перлитной основе; д – высокопрочный феррито-перлитный чугун; е –высокопрочный перлитный чугун; ж – белый чугун (доэвтектический; графит отжига (хлопьевидный).

Включения графита в сером и высокопрочном чугунах обычно окружены небольшой оторочкой металлической основы, обогащенной кремнием. Обычно именно здесь и выделяется в первую очередь структурно-свободный феррит. Небольшое количество такого феррита в сером и высокопрочном чугунах бывает даже полезным для механических свойств металла, так как в этом случае хрупкая фаза (графит) оказывается окаймленной пластичной и вязкой, которая оказывает дополнительное сопротивление к возникновению и распространению микро- и макротрещин при нагружении металла.

Многие эксплутационные свойства серого чугуна зависят от размеров и количества графитных включений. Очевидно, что сравнительно мелкие включения с завихренными пластинами при их равномерном распределении обеспечивают более высокие эксплутационные свойства чугуна. Крупные пластины графита с относительно прямыми заостренными кромками служат источниками образования трещин, приводя в конечном итоге к разрушению детали или изделия в целом. Во многих крупноразмерных включениях графита наблюдаются характерные внутренние трещины в виде продольных разрывов сплошности, вызванных ростовыми напряжениями. Значительный уровень ростовых напряжений служит также причиной сильно выраженного рыхлого пакетного строения холмиков роста.

Одним из факторов, обеспечивающих управление процессом формообразования графита, является скорость охлаждения металла при затвердевании. Чем она выше, тем больше величина переохлаждения металла и, следовательно, больше возникает центров кристаллизации аустенитной фазы. Однако, при значительном увеличении скорости охлаждения чугуна в результате неравномерного распределения углерода и примесей в отдельных микрообъемах жидкой фазы может начаться образование цементитной эвтектики, что существенно изменяет свойства отливки.

Шаровидный графит в промышленных отливках не имеет идеальной сферической формы. Поверхность шаровидного графита состоит из множества тонколепестковых выступов. Эти лепестки правильной полигональной и неправильной округленной формы в совокупности образуют структуру чередующихся волнообразных гряд. Исследование ионотравленных срезов шаровидного графита позволило выявить следующие типы слоистой структуры: дендритную, дендритно-концентрическую, зигзагообразную и концентрическую. Получение того или иного типа слоистой структуры обычно связывают с условиями охлаждения и химическим составом модификатора.

Литературные данные о химическом и фазовом составе неметаллических включений в шаровидном графите далеко не однозначны. Вместе с тем, по этим данным представляется возможным сделать вывод о том, что роль неметаллических включений в образовании конечных форм роста графита второстепенна. Неметаллические включения, встречающиеся в пластинчатом и шаровидном графите, не содержат углерода и в равной степени встречаются в центральных и периферийных участках. В магниевом чугуне с шаровидным графитом они содержат магний, кремний, кальций, серу и железо. В промышленном магнийцериевом чугуне с шаровидным графитом в центральной части графитовых включений обнаружены частицы диаметром 2. 5 мкм переменного состава, содержащие преимущественно оксиды цезия, магния и железа.

В целом же чугун с шаровидным графитом является весьма перспективным конструкционным материалом. Как показывает практика последних десятилетий, чугун с шаровидным графитом, обладая высокими служебными свойствами и высокой экономичностью, вытеснил большое количество изделий из чугуна с пластинчатым графитом и стали. В большинстве промышленно развитых стран мира среди литых железоуглеродистых сплавов чугун с шаровидным графитом занимает второе место по массе выпускаемых отливок после серого чугуна.

Использование чугуна с вермикулярной формой графита в качестве самостоятельного конструкционного материала предложено в середине 50-х годов, а само название «чугун с вермикулярным графитом» впервые встречается у Р. Шелленга. Вермикулярный графит, подобно обычному пластинчатому графиту, формируется посредством ветвления в пределах эвтектической аустенитно-графитной колонии. На первых стадиях затвердевания формируется графит шаровидной формы, который затем трансформируется в вермикулярный. В ряде работ показано, что кончики включений вермикулярного графита в течение всего процесса кристаллизации остаются в контакте с жидким металлом.

Специфика анизотропного микростроения вермикулярного графита заключается в периодическом сочетании микрозон слоисто-блочной структуры, подобной структуре пластинчатого графита, и слоисто-концентрической, характерной для шаровидного графита. При этом кристаллографическая ориентировка слоев роста смежных микрокристаллитов каждого лепестка вермикулярного графита, как правило, сильно различается. Видимо, механизм формирования вермикулярного графита состоит в автономном образовании и послойном зародышевом разрастании составляющих графит микрокристаллитов.

Особое строение и форма вермикулярного графита являются основной причиной более высокого уровня упругих свойств по сравнению с чугуном с пластинчатым графитом. Это объясняется тем, что модуль упругости Е сильно зависит от скорости деформации графитовых включений и, следовательно, от размера и пространственной формы графита. Например, при приблизительно одинаковом химическом составе чугуна модуль упругости в зависимости от формы графита составляет 80*10 3 Н/мм 2 у чугуна с пластинчатым графитом, 157*10 3 Н/мм 2 у чугуна с вермикулярным графитом и 170*10 3 Н/мм 2 у чугуна с шаровидным графитом. Влияние матрицы (ферритная – перлитная) менее существенно.

Не останавливаясь на комплексном рассмотрении основных преимуществ, которые могут быть достигнуты в случае использования в отливках чугуна с вермикулярным графитом по сравнению с чугуном с пластинчатым и шаровидным графитом, отметим лишь, что чугун с вермикулярным графитом высоко экономичен. Это позволяет рекомендовать его для широкого круга отливок сложной конфигурации с различной толщиной стенки и регламентацией по механическим свойствам.

Помимо рассмотренных форм графита в структуре чугунов с шаровидным и вермикулярным графитом встречаются различные вырожденные формы, среди которых наибольший практический интерес представляют графит переохлаждения и шаровидный разорванный (звездообразный). Графит переохлаждения на поверхности шлифа в оптическом микроскопе имеет вид россыпи мелких и мельчайших изолированных обломков. Причины образования и реальная морфология этого графита изучены достаточно слабо. Эта вырожденная форма тонко дифференцированного графита часто встречается в тепловых узлах отливок в условиях модифицирования цериевым мишметаллом.

Разорванный (звездообразный) шаровидный графит соответствует эталону ШГф10 и ШГф11 (ГОСТ 3443-87). Наличие подобного графита также значительно снижает прочностные свойства чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом. Разорванный шаровидный графит представляет собой незаполненную секториально-дендритную форму роста. Основной причиной характерной недостроенности такого типа шаровидного графита служит избыток примесей, в том числе сфероидизирующих, на фронте роста призматических плоскостей кристаллической решетки, вызывающий в определенный момент времени углеродо-непроницаемость диффузионного пограничного слоя расплава у этих плоскостей. Характерно, что по размеру разорванный шаровидный графит в 2-3 раза превышает полностью застроенный шаровидный графит.

В целом же комплексные данные о различных формах графита в чугуне способствуют расширению научных представлений о генезисе формообразования графита в процессе затвердевания отливки. Это, в конечном счете, позволит в максимальной степени стимулировать развитие тенденции улучшения качества промышленных отливок, обладающих более высокими эксплуатационными характеристиками при существенном снижении их массы, что, соответственно, повысит конкурентоспособность литых чугунных изделий за счет уменьшения металлоемкости выпускаемой продукции при гарантированном повышении качества.

Формирование структуры чугуна в реальных отливках происходит в неравновесных условиях и зависит от множества факторов, которые не учитываются равновесными двойными диаграммами состояния. Поэтому для определения структуры чугунных отливок и их механических свойств обычно используются различные эмпирические диаграммы и номограммы, широко рассмотренные во многих работах.

На процессы структурообразования чугуна в первую очередь влияют углерод и кремний. В сером чугуне они определяются изменением не только содержания графита, но и структуры матрицы. В целом повышение содержания углерода в чугуне уменьшает прочность, модуль упругости и твердость и увеличивает пластичность и циклическую вязкость. Однако при низком содержании углерода наблюдается сначала некоторая анормальность (повышение прочности и твердости) с увеличением содержания углерода, что, вероятно, является следствием устранения междендритного графита и сопровождающего его феррита.

Различие влияния кремния и углерода заключается в том, что кремний образует твердый раствор с ферритом, тем самым повышает его прочность и твердость и понижает его плотность и вязкость. В серых чугунах к легирующему влиянию кремния добавляется еще и графитизирующее, что может резко изменить те или иные механические свойства. Только в малоуглеродистом и малокремнистом чугуне наблюдается сначала некоторое увеличение прочности вследствие устранения междендритного графита. Однако при содержании кремния сверх определенного количества уменьшается пластичность серого чугуна, что является следствием преобладающего влияния силикоферрита, которое проявляется, несмотря на ферритизацию структуры. Твердость серого чугуна кремний изменяет в противоположном направлении, понижая ее сначала в результате графитизации и увеличивая ее затем вследствие образования силикоферрита.

Достаточно часто влияние углерода и кремния на механические свойства чугуна рассматривают совместно, используя для этого функцию углеродного эквивалента или эвтектичности (см. выше), хотя относительное влияние этих элементов на положение эвтектической точки далеко не всегда соответствует их влиянию на механические свойства.

По вопросу влияния серы на механические свойства чугуна существуют достаточно противоречивые мнения. С высокой степенью достоверности можно утверждать, что сера и сульфиды железа оказывают весьма неблагоприятное влияние на прочность и пластичность чугуна при одной и той же структуре матрицы, что объясняется ослаблением границ зерен эвтектикой Fe-FeS. Помимо этого, сера способствует перлитизации структуры и может также повысить прочность и твердость ферритного или феррито-перлитного серого чугуна. Вредное влияние серы подавляется марганцем, который в соединении с серой дает сернистый марганец, представляющий собой тугоплавкое соединение, всплывающее в шлак и частично остающееся в отливках в виде неметаллических включений. Обычно, учитывая вредное влияние серы, в практике литейного производства стремятся регламентировать содержание серы на весьма низких уровнях.

Влияние фосфора на механические свойства чугуна следует признать отрицательным с точки зрения изменения его прочностных характеристик. Вследствие наличия фосфора в чугуне происходит легирование феррита, размельчение эвтектического зерна и образование включений фосфидной эвтектики. При этом значительно повышается твердость и понижается пластичность и вязкость чугуна. Общая закономерность изменения прочности чугуна заключается в следующем: сначала происходит возрастание прочностных показателей по мере повышения содержания фосфора, а затем при выделении фосфидной эвтектики они начинают понижаться. Следует дополнительно отметить, что влияние фосфора снижается с увеличением содержания кремния в чугуне.

В ряде случаев для изменения механических и физических свойств чугун легируют. Обычно при легировании чугуна используются те же химические элементы, что и при легировании стали. К элементам, оказывающим положительное влияние на графитизацию, относят алюминий, кремний, никель, медь, кобальт и т.п. Противодействуют выделению графита такие элементы, как хром, ванадий, вольфрам и молибден. Сравнивая имеющиеся в литературе данные, необходимо отметить, что существует определенная аналогия между склонностью чугуна, содержащего хром, молибден и марганец, к отбелу, а также к повышению температуры начала его графитизации. Легирующие элементы, воздействуя на структуру чугуна, оказывают решающее влияние на его механические и эксплутационные свойства. Влияние легирующих элементов в низколегированных чугунах с пластинчатым графитом на структуру приведено в табл.1.1.

Источник