Вторая стадия графитизации

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

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

Отжиг для устранения отбела

В тонких сечениях отливок из серого чугуна и высокопрочного чугуна с шаровидным графитом из-за ускоренного охлаждения кристаллизуется ледебурит, т. е. чугун получается белым. При литье в кокиль вся поверхность может получиться отбеленной. Для улучшения обрабатываемости резанием и повышения пластичности проводят графитизирующий отжиг, устраняющий отбел отливок. Так как серый и высокопрочный чугуны содержат больше кремния, чем…

Нормализация чугунов

Упрочняющая термическая обработка серого чугуна не получила такого широкого распространения, как термообработка стали. Это объясняется тем, что пластинчатый графит, действуя как внутренние надрезы, сильно снижает прочность и пластичность металлической основы. Поэтому изменение ее строения при термической обработке не дает большого эффекта упрочнения и часто нерентабельно. Эффективнее термообработка серых чугунов с более благоприятной формой графита, в…

Графитизирующий отжиг

Графитизирующему отжигу подвергают белые, серые и высокопрочные (модифицированные) чугуны. Отжиг белого чугуна на ковкий Белый чугун тверд и очень хрупок из-за большого количества эвтектического цементита в его структуре. Современный способ получения ковкого чугуна графитизирующим отжигом белого был изобретен в начале XIX в. В настоящее время ковкий чугун — это широко применяемый машиностроительный материал, сочетающий простоту…