Металлическая матрица ковкого чугуна формируется при эвтектоидном распаде аустенита.
Для получения чисто ферритной матрицы охлаждение в интервале температур эвтектоидного распада должно быть медленным (смотрите рисунок График отжига белого чугуна на ковкий).
Здесь проходит вторая стадия графитизации — аустенит распадается по схеме А → Ф + Г.
Диаграмма изотермических превращений аустенита
Диаграмма изотермических превращений аустенита в ковком чугуне с 2,9% С;
0,88% Si, 0,36% Mn и 0,09% S (К. П. Бунин с сотр.).
Последовательность структурных изменений на второй стадии графитизации удобно проследить по диаграмме изотермических превращений аустенита в чугуне.
На рисунке линия ОД — начало образования эвтектоидного феррита, BE — начало образования эвтектоидного цементита, РИ — окончание эвтектоидного превращения и БН — окончание графитизации перлитного цементита.
Рассмотрим превращения в аустените, переохлажденном до температуры t1. Вначале безынкубационно образуется графит на поверхности имеющихся включений углерода отжига. Начиная с момента, соответствующего точке 1 (линия ОД), наряду с графитом образуется и эвтектоидный феррит, т. е. идет эвтектоидный распад по схеме А → Ф + Г. Он заканчивается в точке 2 полным исчезновением аустенита.
При эвтектоидном распаде графит наслаивается на углерод отжига, образовавшийся в первую и промежуточную стадии прафитизации, и ферритографитный эвтектоид как самостоятельная структурная составляющая в виде дисперсной смеси чередующихся фаз не образуется.
Эвтектоидный распад А → Ф + Г может идти нормальным и абнормальным путем. При нормальном распаде аустенит все время находится в контакте с образующимися из него ферритом и графитом. На границе с графитом он имеет концентрацию, соответствующую точке g, а на границе с ферритом — точке h (рисунок Участок диаграммы). Выравнивание состава в аустените приводит к пересыщению его углеродом на границе А/Г, выделению здесь графита и уменьшению концентрации углерода на границе А/Ф, вызывающему γ → α-перестройку — образование феррита.
Абнормальное эвтектоадное превращение начинается в том случае, когда феррит полностью окружает графит и прерывается контакт аустенита с графитом. На границе с графитом феррит имеет состав точки d, а на границе с аустенитом — состав точки f. Хотя градиент концентраций углерода и невелик, но диффузия элемента внедрения в о.ц.к. решетке феррита идет весьма быстро.
От границы Ф/А углерод переносится к границе Ф/Г, где феррит пересыщается углеродом и выделяет графит, восстанавливая концентрацию, изображаемую точкой d. У границы Ф/А понижение концентрации углерода в феррите (сдвиг состава влево от точки f) делает его ненасыщенным по отношению к аустениту и происходит γ — α-превращение с образованием феррита состава точки f. Следовательно, при абнормальном эвтектоидном превращении графит выделяется не из аустенита, а из феррита.
При температурах выше точки В, т. е. при сравнительно небольших переохлаждениях аустенита (или медленном непрерывном охлаждении), полная ферритизация матрицы происходит непосредственно при эвтектоидном распаде по схеме А → Ф + Г. При больших переохлаждениях (ниже температуры точки В) становится возможным образование перлита (линия BE). Например, при температуре t2 после безынкубационного выделения графита идет в период 3 — 4 эвтектоидный распад по схеме АФ + Г, а с момента, соответствующего точке 4, начинается перлитное превращение (А → Ф + Ц).
К моменту, соответствующему точке 5, оба эвтектоидных процесса (А → Ф + Г и А → Ф + Ц) приводят к полному исчезновению аустенита, и структура чугуна состоит из углерода отжига, феррита и перлита. Чем больше степень переохлаждения (или больше скорость охлаждения при непрерывном понижении температуры), тем большая доля аустенита распадается по схеме А → Ф + Ц. Если охлаждение отливки в интервале эвтектоидного превращения не замедлить, то получится чисто перлитный ковкий чугун. Его структура состоит из углерода отжига и перлитной матрицы.
Перлит примерно в 2,5 раза прочнее и тверже феррита, но менее пластичен. Поэтому с увеличением количества перлита в структуре ковкого чугуна прочностные свойства растут, а пластичность снижается. Например, у ферритного ковкого чугуна марки КЧ3712 (Тв = 37 кгс/мм2 и 6 = 112%, а у перлитного чугуна марки КЧ632 ав = 63 кгс/мм2 и 6 = 2%.
Развитие второй стадии графитизации можно обеспечить не только замедлением охлаждения в эквтектоидном интервале температур, но и изотермической выдержкой после обычного, не замедленного охлаждения (смотрите пунктирную площадку на рисунке График отжига белого чугуна на ковкий). При непрерывном охлаждении идет перлитное превращение аустенита, а последующая длительная выдержка приводит к графитизации перлитного цементита. Механизм графитизации здесь принципиально такой же, как и на первой стадии; только графитизация идет путем переноса углерода не через аустенит, а через феррит от границы Ф/Ц к границе Ф/Г.
Узким звеном процесса является эвакуация атомов железа в феррите от поверхности растущего графита. На рисунке при температуре t2 перлитный цементит исчезает в момент, соответствующий точке 6. Чем ниже температура изотермической выдержки, тем большее время требуется для достижения этого момента (наклон кривой БН).
Одновременно с графитизацией перлитного цементита при изотермической выдержке происходят деление цементитных пластин (около выходов на границу Ц/Ф субграниц в цементите и феррите) и сфероидизация цементита. Механизм этих процессов аналогичен рассматриваемым в Разновидностях отжига сталей процессам получения сферодита в сталях.
Поддерживая повышенное содержание марганца в шихте (до 1%), можно резко замедлить графитизацию перлитного цементита, чтобы сохранить перлит и с помощью сфероидизации получить ковкий чугун с матрицей из сферодита.
Чугун с матрицей из зернистого перлита отличается сочетанием высокой прочности и повышенной пластичности, а также хорошей обрабатываемостью резанием и высокими антифрикционными свойствами. При ав = 60 кгс/мм2 относительное удлинение у такого чугуна достигает 10% и им можно заменить литую и кованую сталь. Из ковкого чугуна с основой из зернистого перлита изготавливают даже такие ответственные изделия, как коленчатые и кулачковые валы.
Отжиг белого чугуна на ковкий — длительный процесс, продолжающийся десятки часов.
В производстве ковкого чугуна отжиг — наиболее дорогая операция, сильно влияющая на себестоимость литья. Поэтому разработаны разные способы ускорения отжига.
Весьма эффективна предварительная выдержка при температурах около 400 °С в течение примерно 6 ч, увеличивающая число центров графитизации на первой стадии. Возможно, это обусловлено образованием скоплений избыточных вакансий.
Малые добавки модификаторов (0,02% Al, 0,003% В) также ускоряют графитизацию.
Предварительная закалка деталей из белого чугуна в масле резко ускоряет графитизацию благодаря образованию многочисленных закалочных субмикротрещин, заполняемых углеродом отжига на первой стадии графитизации. Но такая обработка применима только к мелким деталям простой формы.
«Теория термической обработки металлов»,
И.И.Новиков