Микроструктура серых чугунов

Такое название серый чугун получил по виду излома, который имеет серый цвет. В структуре серого чугуна имеется графит. На процессы графитизации чугунов большое влияние оказывает химический состав чугуна и в первую очередь суммарное содержание углерода и кремния. С увеличением последних сложность к графитизации увеличивается. Алюминий, кальций также являются графитизаторами. Скорость охлаждения также существенно влияет на степень графитизации, увеличение скорости охлаждения тормозит графитизацию, т.е. приводит к отбелу чугуна.

В микроструктуре серого чугуна следует различать металлическую основу и графитовые включения.

Металлическая основа в сером чугуне очень сходна с микроструктурой стали, поэтому по строению металлической основы серый чугун подразделяют следующим образом:

Серый перлитный чугун (рисунок 5), структура которого состоит из перлита и включения пластинчатого графита. Как известно, перлит содержит 0,8 % С, следовательно, это количество углерода в сером перлитном чугуне находится в связанном состоянии (в виде Fe₃C), остальное количество углерода находится в свободном состоянии в виде прожилок графита.

Серый ферритно-перлитный чугун (рисунок 5), структура которого состоит из феррита + перлита и включения графита. В этом чугуне количество связанного углерода меньше 0,8 %.

Серый ферритный чугун (рисунок 5), в котором металлической основой является феррит, и весь углерод, имеющийся в сплаве, присутствует в виде графита.

Из рассмотрения структур указанных трех видов чугуна можно заключить, что их металлическая основа похожа на структуру эвтектоидной стали, доэвтектоитдной стали и железа. Следовательно, по структуре чугуны отличаются от стали только тем, что в чугунах имеются графитовые включения, предопределяющие специфические свойства чугунов.

Рисунок 5 – Микроструктура серого чугуна на ферритной (а), перлитно-ферритной (б) и перлитной (в) основе

1.4.3 Микроструктура ковкого чугуна

Ковкий чугун получают из белого чугуна. Сущность технологического процесса заключается в том, что отливки со структурой белого чугуна подвергаются длительному (30-40 часов) отжигу - томлению при температуре 950 – 1050 °С. При этой температуре имеющийся в структуре цементит разлагается по реакции Fe₃C = Fe + C (графит). В силу особенностей процесса образования графита из твердой фазы он приобретает хлопьевидную форму, что является характерным признаком ковкого чугуна. При рассмотрении в микроскоп (рисунок 6) микрошлифа ковкого чугуна хорошо видны включения хлопьевидного графита (углерода отжига).

Металлическая основа ковкого чугуна также сходна с микроструктурой стали. По строению металлической основы ковкие чугуны подразделяют на ковкий перлитный, ковкий перлитно-ферритный и ковкий ферритный чугун.

Рисунок 6 – Микроструктура ковкого чугуна на ферритной (а), перлито-ферритной (б) и перлитной (в) основе

1.4.4 Микроструктура высокопрочного чугуна

Высокопрочный чугун получают при выплавке путем модификации сплава магнием или церием в количестве 0,1-0,2 % от веса жидкого чугуна. Магний или церий оказывает влияние на процесс графитизации, на кристаллизацию графита. Адсорбируясь на поверхности включений графита, эти элементы содействуют образованию включений графита по форме, близкой к форме шара (рисунок 7).

Округлые включения шаровидного графита не создают резкой концентрации напряжений, такие включения не являются “трещинами” (как пластинчатый графит в сером чугуне). Чугун с шаровидным графитом имеет значительно более высокую прочность при растяжении и изгибе, чем серый чугун (отсюда и название чугуна с шаровидным графитом - высокопрочный чугун).

Ковкий чугун с хлопьевидным графитом занимает промежуточное положение по прочности между обычным серым и высокопрочным чугуном. По металлической основе высокопрочные чугуны могут быть ферритными, ферритно-перлитными, перлитными, т.е. в этом отношении разницы в структуре серого, ковкого и высокопрочного чугунов нет.

Рисунок 7 – Микроструктура высокопрочного чугуна на ферритной (а), перлито-ферритной (б) и перлитной (в) основе

1.4.5 Классификация чугуна по структуре металлической основы и форме графитовых включений

Поскольку структура чугуна состоит из металлической основы и графита, то и свойства чугуна будут зависеть как от свойств металлической основы, так и от количества и характера графитовых включений.

Графит по сравнению со сталью обладает низкими механическими свойствами, и поэтому графитовые включения можно считать в первом приближении просто пустотами, трещинами. Отсюда следует, что чугун можно рассматривать как сталь с большим количеством пустот и трещин. Естественно, чем больший объем занимают пустоты, тем ниже свойства чугуна. При одинаковом объеме пустот (т.е. при одинаковом количестве графита) свойства чугуна будут зависеть от формы и расположения графита. Следовательно, чем больше в чугуне графита, тем ниже его механические свойства, чем грубее включения графита, тем больше они разобщают металлическую основу, тем хуже свойства чугуна.