Графитные чугуны
В графитных чугунах, в отличие от белых, весь углерод или часть его находиться в свободном состоянии. В зависимости от формы графитных включений они делятся на серые (с пластинчатой формой графита), высокопрочные (с глобулярной формой графита) и ковкие (с хлопьевидными графитными включениями). Темные графитные включения наблюдаются на светлом фоне не травленных шлифов.
Структура металлической основы в графитных чугунах может быть различной, а именно: ферритной, перлитно-ферритной и перлитной. Металлическую основу чугунов изучают после травления микрошлифов обычными реактивами (3-4% -ный раствор HNO3 в метиловом спирте).
Серые чугуны
По химическому составу серые чугуны разделяют на обычные (нелегированные) и легированные. Обычные чугуны содержат следующие элементы: 2,2-3,7% С; 1-3,0 Si; 0,2-1,1% Mn; 0,02-0,3% P; 0,02-0,15% S. Степень графитизации и структуры металлической основы серого чугуна, главным образом, зависят от количества С, Si и скорости охлаждения.
Форма и распределение графитных включений существенное влияние на механические свойства чугуна. С уменьшением размеров графитных включений степени изолированности их друг от друга повышается прочность чугуна. Серый чугун характеризуется низкими значениями пластичности и ударной вязкости, так как пластинки графита нарушают сплошность металлической основы и тем самым ухудшают механические свойства чугуна.
Понижая механические свойства, графит в то же время придает чугуну ряд ценных свойств. Например, графит измельчает стружку при обработке резанием, оказывает смазывающее действие и, следовательно, повышает износостойкость чугуна, а также придает ему демпфирующую способность.
Характер металлической основы является вторым структурным фактором, оказывающим существенное влияние на свойства графитных чугунов. На рис.4 представлена структурная диаграмма, показывающая какой должна быть структура в отливке с толщиной стенки 50мм. Влияние толщины стенки и состав чугуна характеризует диаграмма, приведенная на рис.5. Такие показатели, как твердость и предел прочности на сжатие, зависят в основном от структуры металлической основы, которая может быть ферритной, перлито-ферритной и перлитной. Перлитный чугун обычно имеет большую прочность и меньшую пластичность в сравнении с ферритным.
Серый чугун применяется для изготовления деталей в несколько граммов (например, поршневые кольца двигателей) до отливок в несколько десятков тонн (станины станков). Выбор марки чугунов для конкретных условий работы определяется совокупность механических и технологических свойств.
Высокопрочные чугуны
Высокопрочный чугун получается при введении в жидкий расплав в качестве модификатора магния (реже церия).
Шаровидный графит - меньший концентратор напряжений, чем пластинчатый графит, и поэтому меньше понижает механические свойства чугуна. Высокопрочные чугуны обладают более высокой прочностью и некоторой пластичностью.
Ковкие чугуны
По механическим свойствам ковкий чугун занимает промежуточное положение между серым и высокопрочным, причем, чем меньше размеры хлопьевидных графитных включений, тем выше качество чугуна.
Ковкий чугун получается из белого доэвтектического чугуна путем длительного графитизирующего отжига (томления).
Сущность процессов графитизации белого чугуна заключается в разложении метастабильного цементита (Fe3C) в графит.
Режим отжига белого чугуна на ковкий представлен на рис.7.
В процессе выдержки при 950-1000оС происходит графитизация цементита эвтектики (ледебурита). Вторая выдержка, которая устанавливается на 20-30оС ниже критической точки А1, предназначена для графитизации избыточного вторичного цементита и цементита эвтектоида (перлита). При таком режиме отжига практически весь углерод выделяется в свободном состоянии и структура чугуна будет состоять из ферритной основы с включениями хлопьевидного графита. Если охлаждение после первой выдержки при 950-1000оС было ускоренным, то процесс графитизации не затрагивает цементита перлита и цементита вторичного. В этом случае чугун приобретает перлитную основу и называется перлитным ковким чугуном. Ковкий чугун с перлито-ферритной основой формируется при неполной графитизации цементита, входящего в перлит, вследствие малой выдержки ниже критической точки А1.