20.Процесс кристаллизации жидкого сплава по диаграмме состояния «железо-цементид» . Определение и классификация чугунов

Диаграмма состояния «железо–цементит»

На диаграмме состояния «железо–цементит» приведены фазовый состав и структура сплавов с концентрацией углерода от 0 до 6,67% (рис. 6.2).

Область перитектического превращения в районе температуры плавления чистого железа условно не показана.

Линия АСD– линия ликвидус, линия начала кристаллизации сплавов. Выше этой линии все сплавы находятся в жидком состоянии.

Линия АECF – линия солидус, линия конца кристаллизации сплавов. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии.

Линии АС и DСпоказывают температуры начала кристаллизации аустенита (АС) и первичного цементита (DС). При выделении из жидкой фазы кристаллов аустенита состав жидкой фазы будет обогащаться углеродом и по мере снижения температуры изменяться по линии АС. Состав твердой фазы (аустенита) при этом будет обогащаться углеродом и изменяться по линии АE. При выделении из жидкой фазы кристаллов первичного цементита состав ее будет обедняться углеродом и с понижением температуры изменяться по линии DС. Состав твердой фазы (цементита) остается постоянным. Количество углерода в цементите – 6,67%.

При достижении температуры 1147С состав жидкой фазы для любого сплава, расположенного между концентрациями от точки Е (2,14% С) до точки F (6,67% С), будет соответствовать точке С (4,3% С). При этой температуре оставшаяся часть жидкой фазы данного состава кристаллизуется при постоянной температуре с образованием эвтектической механической смеси, содержащей то же количество углерода, что и жидкость, т.е. 4,3%. Эта эвтектика называется ледебуритом. Она состоит из аустенита состава точки Е (2,14% С) и цементита состава точки F (6,67% С) Ж.Ф_С  Л_С(А_Е + Fe₃C). Линия ЕСF обозначает постоянную температуру образования эвтектики ледебурита и температуру конца кристаллизации сплавов, содержащих углерода более 2,14%. Эта линия называется линией эвтектического превращения. Структура сплава, содержащего 4,3% углерода, будет состоять только из ледебурита. В сплавах, расположенных левее точки С, в избытке будет находиться аустенит и структура их после затвердевания будет состоять из первичных кристаллов аустенита и ледебурита; для сплавов, расположенных правее точки С в избытке будет находиться цементит, поэтому структура этих сплавов после затвердевания состоит из первичных кристаллов цементита и ледебурита.

Сплавы, расположенные левее точки Е, после окончания процесса кристаллизации (область АESG) имеют структуру аустенита.

При дальнейшем охлаждении затвердевших железоуглеродистых сплавов ниже линии АECF (линия солидус) происходят процессы, связанные с изменением растворимости углерода в железе  и , а также процессы которые обуславливаются полиморфным превращением железа

Р

82

ис. 6.2. Диаграмма состояния «железо-цементит»

Структура, свойства и применение чугунов

Сплавы железа с углеродом с содержанием углерода более 2,14% называются чугунами.

В зависимости от условий кристаллизации и последующей об­работки углерод в чугунах может находиться в виде цементита ли­бо в виде графита. В соответствии с этим различают две группы чугунов  белые и серые.

Белые чугуны по структуре могут состоять из перлита и леде­бурита (доэвтектические чугуны с содержанием углерода до 4,3%), ледебурита (эвтектический белый чугун) и ледебурита и це­ментита (заэвтектические белые чугуны, содержащие более 4,3% С).

Из-за присутствия в белых чугунах большого количества це­ментита они тверды и хрупки и для изготовления деталей машин практически не используются. Иногда на некоторых участках чугун­ных деталей (коренные шейки коленчатых валов, прокатные валки и т.д.) специально получают отбеленный поверхностный слой в це­лях повышения твердости и износостойкости.

Серые чугуны содержат большую часть углерода в виде графита. По форме графитовых включений они подразделяются на серые, ковкие и высокопрочные. Наличие графита в свободном состоянии приводит к уменьшению прочности, коэффициента трения и амплитуды резонан­сных колебаний (при этом гасится вибрация).

Рис. 6.4. Серый чугун с пластинчатым графитом:

перлитоферритографитная микроструктура, х200

Ковкий чугун отличается тем, что углерод в нем находится в свободном состоянии в форме хлопьевидного графита (рис. 6.5).

Рис. 6.5. Ковкий чугун с хлопьевидным графитом:

ферритографитная микроструктура, х250

Ковкие чугу­ны получают путем специального отжига белого чугуна. В зависи­мости от режима отжига основная металлическая матрица может быть ферритной, ферритно-перлитной и перлитной. Образующиеся участки графита имеют вид крупных пятнистых включений неправиль­ной формы с глубоко изрезанными границами.

Высокопрочный чугун характеризуется тем, что углерод в нем в значительной степени или полностью находится в свободном со­стоянии в форме шаровидного графита (рис. 6.6).

Такие чугуны получают пу­тем добавки в жидкий чугун перед разливкой небольших количеств определенных элементов (Mg, Zr, Ge и др.), которые изменяют условия кристаллизации. Графит имеет почти правильную ша­ровидную форму с четко очерченными границами.

Рис. 6.6. Высокопрочный чугун с шаровидным графитом:

перлитоферритографитная микроструктура, х200

Основная структу­ра обычно представляет собой перлит. Иногда вокруг графита на­блюдается оболочка феррита.