Глава VIII. ЧУГУН

Чугун отличается от стали по составу — более высоким содержанием углерода, по технологическим свойствам — лучшими литейными качествами, малой способностью к пластической деформации (в обычных условиях не поддается ковке). Чугун дешевле стали.

В зависимости от состояния углерода в чугуне различают:

белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбида (структуры такого чугуна были рассмотрены в гл. VI, п. 4);

серый чугун, в котором углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в форме пластинчатого графита.

Пластинчатая форма графита ухудшает свойства чугуна, поэтому разработаны методы плавки или последующей обработки, при которой изменяется форма графита и улучшаются свойства. В настоящее время получают серый чугун с волокнистой (червеобразной) формой графита. Такой графит получил название вермикулярный [vermiculus (лат.) червь, отсюда и вермишель];

высокопрочный чугун, в котором углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в форме шаровидного графита;

ковкий чугун, получающийся в результате отжига отливок из белого чугуна. В ковком чугуне весь углерод, или значительная часть его находится в свободном состоянии в форме хлопьевидного графита (углерода отжига).

Таким образом, чугун (кроме белого) отличается от стали наличием в структуре графитовых включений, а между собой чугуны различаются формой этих включений.

Естественно, что важнейший вопрос теории чугуна — выяснение условий образования графита, так называемой графи тизации.

1. Процесс графитизации

Углерод может существовать в двух аллотропических формах — алмаз и графит. Алмаз — редкая форма существования углерода и в сплавах не встречается.

В железоуглеродистых сплавах в свободном виде углерод находится в форме графита. Кристаллическая структура графита слоистая (рис. 160).

Рис. 160. Кристаллическая структура графита

Рис. 161. Изменение свободной анергии жидкого сплава в смеси аустенит цементит и аустенит графит с иамененнем температуры (схема)

Расстояние между атомами углерода, лежащими в одной плоскости, составляет 0,142 нм, а расстояние между плоскостями равно 0,34 нм. Из четырех валентных электронов атома углерода только один поступает в электронный газ, что обусловливает некоторые, правда, слабо выраженные, металлические свойства графита (например, его электропроводность).

Прочность и пластичность графита весьма низки.

Высокоуглеродистой фазой в железоуглеродистых сплавах может быть и цементит: его кристаллическое строение и свойства были рассмотрены в гл. VI, п. 3.

Рассматривая кристаллическую структуру и состав аустенита, цементита и графита, следует сделать следующий вывод: кристаллические структуры цементита и аустенита близки, тогда как кристаллические структуры аустенита и графита существенно различны (см. рис. 131, б; 133, 160). По составу аустенит и цементит ближе друг к другу, чем аустенит и графит (так, аустенит содержит до 2,14 % С, цементит 6,67 % С, а графит 100 % С). Поэтому образование цементита из аустенита, а также и из жидкости происходит легче, работа образования зародыша, как и необходимые диффузионные изменения, меньше в случае кристаллизации цементита, чем

при кристаллизации графита. Следовательно, кинетически из твердого раствора (аустенита) и из жидкости более выгодна кристаллизация цементита, а не графита (точнее, смеси феррит цементит или аустенит цементит, а не смеси феррит графит или аустенит графит).

Вместе с тем графит — более устойчивая фаза, а цементит — менее устойчивая; это значит, что смесь феррит графит или аустенит графит обладает меньшей свободной энергией, чем смесь феррит цементит или аустенит цементит. Следовательно, термодинамические факторы способствуют образованию не цементита, а графита.

Эти два обстоятельства необходимо учитывать при изучении условий образования графита. Если кинетические условия позволяют, то образуются структуры с графитом, если нет, то с цементитом, несмотря на то, что более устойчивой является структура графита; в этом случае образование графита является вторичной реакцией, и графит будет продуктом распада цементита.

Как отмечено в гл. II, переход из одного агрегатного состояния в другое, например, из жидкого состояния в твердое, вызван тем, что при изменившихся условиях новое состояние оказывается более устойчивым, обладает меньшим запасом свободной энергии. Ниже температуры (см. рис. 25) устойчивым является кристалл и ниже этой температуры протекает процесс кристаллизации, так как это сопровождается уменьшением свободной энергии.

Точка Г» перехода жидкости в смесь аустенит цементит при 1147°С (линия на диаграмме железо — углерод (см. рис. 134). Следовательно, схематически линии изменения свободной энергии жидкого расплава и смеси аустенит цементит при изменении температуры пересекаются при температуре 1147 43 (рис. 161). Ниже этой температуры протекает процесс кристаллизации, выше — плавление.

Ранее было указано, что аустенито-графитная смесь является термодинамически более устойчивой, чем аустенито-цементитная смесь. Это значит, что если на схеме рис. 161 провести линию, которая будет характеризовать свободную энергию смеси аустенит графит, то она должна располагаться при всех температурах выше линии, характеризующей свободную энергию смеси аустенит цементит. Следовательно, линия свободной энергии аустенит графит пересечет линию свободной энергии жидкости при температуре более высокой, чем т. е. при

Исходя из этого, можем сделать следующие выводы.

Ниже точки равновесия кристаллизация протекает с образованием цементита, так как кинетически это легче осуществимо. Графит в металле будет вторичным продуктом, он может образоваться в результате распада цементита.

В интервале 1147—1153°С образование из жидкости аустенито-цементитной смеси термодинамически неосуществимо, и в данных температурных условиях кристаллизации происходит с образованием аустенито-графитной смеси непосредственно из жидкости.

Совершенно аналогично следует рассматривать возможность распада аустенита на феррито-цементитную или феррито-графитную смесь. Температура есть температура фазового равновесия а температура фазового равновесия лежит выше (по экспериментальным данным при 738 °С), следовательно, в интервале 738-727 °С возможен распад аустенита не на феррито-цементитную смесь (перлит), а на феррито-графитную смесь. Приведенные термодинамические соображения должны найти отражение и в диаграмме фазового равновесия.

Рис. 162. Диаграмма (сплошные лнннн — образование цементита, штриховые — графита)

Диаграмма железо — углерод, приведенная на рис. 162, соответствует образованию аустенито-цементитных или феррито-цементитных смесей. Образование аустенито-графитных или ферритографитных смесей происходит при более высоких температурах, а линии фазовых равновесий лежат при более высоких температурах. Таким образом, получается диаграмма железо — углерод с двойными линиями (см. рис. 162). Сплошные линии показывают температуру фазового равновесия аустенит (феррит) — цементит, а штриховые — аустенит (феррит) — графит.

На этой диаграмме линия (-линия фазового равновесия , а линия — линия фазового равновесия .

Меньшая способность аустенита и жидкости растворять графит, чем цементит, приводит к тому, что линии и располагаются левее соответствующих линий и

Образование графита из жидкости или аустенита происходит при охлаждении в узком интервале температур между линиями

стабильной и метастабильной диаграмм, т. е. в условиях малых переохлаждений или, следовательно, при малых скоростях охлаждения. Отсюда заключаем, что образование структур серого чугуна непосредственно из жидкости или аустенита происходит при медленном охлаждении, тогда как образование структур белого чугуна происходит при более быстром охлаждении, что многократно подтверждается практикой.

Образование графита из жидкости или аустенита — медленно протекающий процесс, так как работа образования зародыша графита велика и требуется значительная диффузия атомов углерода для образования кристаллов графита, также необходим и отвод атомов железа от фронта кристаллизации графита.

В чистых железоуглеродистых сплавах непосредственное образование графита из жидкости было бы редко наблюдаемым явлением, если бы не одно обстоятельство, способствующее образованию графита.

Дело в том, что жидкость в высокоуглеродистых сплавах (чугу-нах) не является практически совершенно чистой. Обычно чугун после его расплавления «замутнен», т. е. содержит во взвешенном состоянии мельчайшие частицы различных включений и примесей, в том числе и мельчайшие частицы графита. На этих частицах начинается процесс кристаллизации графита, они являются стенкой, на которой оседают атомы углерода, давая кристалл графита. В этом случае работа образования зародыша графита может быть и не больше работы образования зародыша цементита, и поэтому даже ниже температуры равновесия (1147°С) кинетически оказывается возможным образование кристаллов графита.

Перегрев чугуна значительно выше температуры плавления приводит к растворению взвешенных частиц, хотя, возможно, и неполному, что затрудняет непосредственное образование графита. Введение различных добавок к чугуну может привести к возникновению дополнительных центров кристаллизации графита, что способствует в ряде случаев образованию графита.

В зависимости от условий кристаллизации образуется графит различной формы, что имеет большое значение (об этом будет сказано далее).

То, что сказано в отношении кристаллизации графита из жидкости, применимо и для кристаллизации графита из аустенита. Нет ясных экспериментальных доказательств того, что из гомогенного аустенита непосредственно выделяется графит, хотя, согласно приведенным выше термодинамическим положениям (см. рис. 161), это возможно в узком диапазоне температур (в интервале между линиями стабильной и метастабильной систем). Однако если в процессе нагрева произошла частичная графитизация вследствие распада цементита, то возможно отложение углерода на уже имеющихся графитных включениях (при охлаждении ниже линии что наблюдалось экспериментально.

Таким образом, кроме превращений, приводящих к образованию цементита, которые мы рассмотрели в главе о железоуглеродистых

сплавах (гл. VI), возможен распад растворов (жидкости, аустенита) с образованием графита.

Кроме рассмотренного ранее процесса образования графита непосредственно при кристаллизации, возможен и другой способ образования графита. Как уже неоднократно указывалось, цементит — неустойчивое соединение и при определенных условиях (определенной температуре) распадается с образованием аустенита и графита или феррита и графита. Для осуществления этого процесса требуется диффузия углерода к центрам кристаллизации графита и самодиффузия железа от мест, в которых графит выделяется.

При нормальной комнатной температуре этот процесс практически не протекает, но с повышением температуры резко ускоряется.

Рис. 163. Схема образования структур при графитизации чугуна

При температуре ниже линии устойчивыми фазами являются феррит и графит, поэтому цементит распадается на эти две фазы и реакцию распада цементита можно написать так:

Выше линии устойчивыми фазами являются аустенит и графит и реакция распада цементита сопровождается образованием таких фаз:

Следовательно, в результате графитизации цементита образуется графит и феррит (ниже линии ) или аустенит (выше линии Выше линии часть углерода находится в твердом растворе, поэтому, хотя процесс при более высокой температуре протекает быстрее, но к выделению всего углерода в свободном состоянии (т. е. в виде графита) он привести не может; при температуре ниже линии процесс протекает медленно, но он может закончиться полной графитизацией, т. е. выделением всего углерода в свободном состоянии.

Для лучшего изучения этого сложного и практически важного процесса рассмотрим явление графитизации, привлекая другую схему (рис. 163).

Предположим, что охлаждение было достаточно быстрое и получился белый чугун (перлит цементит), — исходное состояние. В результате нагрева белого чугуна выше линии перлит превращается в аустенит; выдержка при этих температурах

приводит к графитизации избыточного нерастворившегося цементита. Если процесс закончился полностью, то при высокой температуре структура будет состоять из аустенита графита, а после охлаждения из перлита графита. При незавершенности процесса первичной графитизации (выше линии ) сохраняется цементит, и структура состоит из аустенита графита цементита при высокой или перлита графита цементита при низкой температуре.

При переходе через критическую точку (линия аустенит превращается в перлит и выдержка при температурах, близких, но ниже критической точки, может привести к распаду цементита перлита (вторая стадия графитизации). При полностью завершенном процессе весь цементит перлита разложится, образуется ферритографитная структура, а при частичном превращении останется перлит.

Процесс может протекать не только изотермически, как это показано на схеме, но и при медленном охлаждении. Если графит образовался при кристаллизации частично в виде чешуек, то дальнейшее образование графита будет происходить отложением углерода на ранее выпавших частичках. Этим определится различие во внешней форме графита.