Чугунами называются железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2,14 % углерода. В промышленных чугунах, кроме железа и углерода, содержатся кремний, марганец, сера и фосфор, причем в количествах, больших, чем в сталях.
Чугуны обладают лучшими, по сравнению со сталью, литейными свойствами (большей жидкотекучестью, меньшей усадкой), они дешевле стали, но уступают им по прочности и пластическим свойствам, не поддаются ковке.
Углерод в чугуне может находиться в двух состояниях: связанном — в виде карбидов и свободном — в виде графитовых включений различной формы.
В зависимости от этого различают чугуны:
- белый, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбидов; его излом имеет характерный белый блестящий цвет;
- серый, в котором основная часть углерода находится в свободном состоянии в виде графитовых включений пластинчатой формы;
- ковкий, в котором почти весь углерод находится в свободном состоянии в виде графита, имеющего хлопьевидную форму;
- высокопрочный, в котором большая часть углерода находится в свободном состоянии в виде графитовых включений шаровидной формы.
Так как серые, ковкие и высокопрочные чугуны содержат графит, их изломы имеют серый цвет, из-за чего по цвету излома перечисленные чугуны называют серыми. Микроструктуры этих чугунов состоят из графитовых включений и металлической основы, которая может быть трех видов: ферритной, феррито-перлитной или перлитной.
Рассмотрение процесса кристаллизации чугунов с учетом термодинамических факторов и кинетики образования цементита и графита объясняет появление пунктирных линий на диаграмме системы Fe – Fe3C и характер их расположения (рис. 5.1).
Рис. 5.1. Объединенная диаграмма состояния метастабильной системы
железо – цементит (сплошные линии) и стабильной системы
железо – графит (пунктирные линии)
Линия Е'С'F' (1153 °С) - линия фазового равновесия Ж↔А, на которой образуется графитная эвтектика.
Линия Р'S'К' (738 оС) - линия фазового равновесия А↔Ф+Г, где образуется графитовый эвтектоид.
Меньшая способность феррита, аустенита и жидкости растворять графит, чем цементит, приводит к тому, что линии Q'Р', S'Е' и С'D ' располагаются левее соответствующих линий QР, SE и СD.
В интервале температур 1153—738 оС из аустенита выпадает вторичный графит, а аустенит изменяет свой состав по линии Е'S'.
При температурах, соответствующих линии С'D', кристаллизуется первичный графит.
Основными факторами, влияющими на процесс графитизации, являются химический состав и скорость охлаждения чугуна.