В результаті перетворення вуглець може не тільки хімічно взаємодіяти з залізом, але і виділятися в елементарному стані у формі графіту. Рідка фаза, аустеніт і ферит можуть перебувати в рівновазі і з графітом.
Діаграма стану залізо - графіт показана штриховими лініями на рис. 11.1. Лінії діаграми знаходяться вище ліній діаграми залізо - цементит. Температури евтектичного і евтектоїдного преврашеніе, відповідно, 1153oС і 738 o С. Точки C. E, S - зрушені вліво, і знаходяться при концентрації вуглецю 4,24, 2,11 і 0,7%, відповідно.
Рис.11.1. Діаграма стану залізо - вуглець: суцільні лінії - цементітная система; пунктирні - графитная
При високих температурах цементит розкладається з виділенням графіту, тому діаграма стану залізо - цементит є метастабільною, а діаграма залізо - графіт - стабільною. Процес утворення графіту в сплавах заліза з вуглецем називається графітизацією.
Процес графітизації.
Графіт - це поліморфна модифікація вуглецю. Так як графіт містить 100% вуглецю, а цементит - 6,67%. то рідка фаза і аустеніт за складом ближчі до цементиту, ніж до графіту. Отже, освіту цементиту з рідкої фази і аустеніту має протікати легше, ніж графіту.
З іншого боку, при нагріванні цементит розкладається на залізо і вуглець. Отже, графіт є більш стабільною фазою, ніж цементит.
Можливі два шляхи освіти графіту в чавуні.
При сприятливих умовах (наявність в рідкій фазі готових центрів кристалізації графіту і дуже повільне охолодження) відбувається безпосереднє утворення графіту з рідкої фази.
При розкладанні раніше утворився цементиту. При температурах вище 738oС цементит розкладається на суміш аустеніту і графіту за схемою
.
При температурах нижче 738oС розкладання цементиту здійснюється за схемою:
.
При малих швидкостях охолодження ступінь розкладу цементиту більше.
Графітизацію з рідкої фази, а також від розпаду цементиту первинного і цементиту, що входить до складу евтектики, називають первинною стадією графітизації.
Виділення вторинного графіту з аустеніту називають проміжної стадіейграфітізаціі.
Освіта евтектоїдного графіту, а також графіту, що утворився в результаті цементиту, що входить до складу перліту, називають вторинною стадіейграфітізаціі.
Структура чавунів залежить від ступеня графітизації, тобто від того, скільки вуглецю знаходиться в зв'язаному стані.
Мал. 11.2. Схема освіти структур при графітизації
Витримка при температурі більше 738oС призводить до графітизації надлишкового нерастворим цементиту. Якщо процес завершити повністю, то при високій температурі структура буде складатися з аустеніту і графіту, а після охолодження - з перліту і графіту.
При незавершеності процесу первинної графитизации, вище температури 738oС структура складається з аустеніту, графіту і цементиту, а нижче цієї температури - з перліту, графіту і цементиту.
При переході через критичну точку перетворення аустеніту в перліт, і витримці при температурі нижче критичної призведе до розпаду цементиту, що входить до складу перліту (вторинна графітизація). Якщо процес завершений повністю то структура складається з фериту і графіту, при незавершеності процесу - з перліту, фериту і графіту.
Вплив графіту на механічні властивості виливків.
Графітові включення можна розглядати як відповідної форми порожнечі в структурі чавуну. Близько таких дефектів при навантаженні концентруються напруги, значення яких тим більше, чим гостріше дефект. Звідси випливає, що графітові включення пластинчастої форми в максимальній мірі разупрочняется метал. Більш сприятлива пластівчаста форма, а оптимальною є куляста форма графіту. Пластичність залежить від форми таким же чином. Відносне подовження () дпя сірих чавунів составляет0,5%. для ковких - до 10%. для високоміцних - до 15%.
Наявність графіту найбільш різко знижує опір при жорстких способах навантаження: удар; розрив. Опір стиску знижується мало.
Позитивні сторони наявності графіту.
графіт покращує оброблюваність різанням, так як утворюється ламка стружка;
чавун має кращі антифрикційні властивості, в порівнянні зі сталлю, так як наявність графіту забезпечує додаткову мастило поверхонь тертя;
через мікропорожнеч, заповнених графітом, чавун добре гасить вібрації і має підвищену циклічну в'язкість;
деталі з чавуну не чутливі до зовнішніх концентраторів напружень (виточки, отвори, переходи в перетинах);
чавун значно дешевше стали;
виробництво виробів з чавуну литтям дешевше виготовлення виробів із сталевих заготовок обробкою різанням, а також литтям і обробкою тиском з наступною механічною обробкою.
Сірі чавуни з пластинчастим графітом, їх класифікація, властивості маркування, застосування. (хрін знає)
Першим структурним фактором, що впливає на властивості сірого чавуну, є характер графітових включень. Графіт сірих чавунів має форму пелюсток, на мікрошліф видимих як платівки з гострими крайками, які є сильними концентраторами напружень. Такий пластинчастий графіт найбільш сильно знижує пластичність, ударну в'язкість і міцність металу; так, відносне подовження простих сірих чавунів дорівнює 0,5% і менше, ударна в'язкість - менше 1кгмсм, міцність при розтягуванні від 12 до 24кгсмм (120-240 МПа). твердість,
обумовлена головним чином структурної металевої основи, не перевищує 200 НВ (для перлитного чавуну). Твердість і міцність чавуну підвищуються зі збільшенням в основі кількості перлитной складової. Межа міцності при розтягуванні сірих чавунів значно нижче, ніж у сталі (при тій же твердості).
При конструюванні деталей машин слід враховувати, що сірі чавуни працюють на стиск краще, ніж на розтяг. Вони менш ніж стали чутливі до різких переходах перетинів, надрізів і поверхневим дефектам при циклічному навантаженні. Добре поглинають коливання при вібраціях за рахунок високого внутрішнього тертя. Мають високі антифрикційними властивостями через здатності, що змазує графіту. Сірі чавуни добре обробляються різанням, в певних умовах можуть зварюватись, дешеві та прості у виготовленні. До числа негативних властивостей сірого чавуну слід віднести зміни обсягу виливків при повторних нагріву. Це явище називається зростанням чавуну. Воно полягає в збільшенні обсягу при багаторазових або тривалих нагревах чавуну до температур вище 400C. Одночасно відбувається викривлення виробів і зниження механічних властивостей.
Чим дрібніше графітові пластини і чим більше вони ізольовані один від одного, тим вище властивості міцності чавуну при одній і тій же металевій основі.
Подрібнення графіту можна домогтися шляхом введення в рідкий чавун перед його розливанням в форми спеціальних присадок - феросиліцію (1 кг / т), селікокальція, алюмінію. Обробка рідкого чавуну зазначеними присадками з метою зміни його структури - подрібнення графіту - називається модифицированием чавуну. Модифікатори утворюють в рідкому чавуні численні центри графітизації, що призводять до інтенсивного утворення численних дрібних графітових виділень (рис.3, д). Металева основа виходить зазвичай перлитной. Модифікування дозволяє підвищити міцність чавуну в 1,5-2,0 рази, ці властивості приблизно однакові по перетину виливка.
Модифіковані чавуни мають більшу зносостійкість, хорошою оброблюваністю ріжучим інструментом і виявляють малу схильність до зростання при нагріванні.
Згідно ГОСТ 1412-85, виливки виготовляють з чавуну наступних марок: СЧ10, СЧ15, СЧ18, СЧ20, СЧ25, СЧ28, СЧ30, СЧ35. Тут індекс «СЧ» означає «сірий чавун». Цифри в позначенні марки відповідають мінімальній межі міцності при розтягуванні (в, кгс / мм). Чавун СЧ10 - феритний, з нього виготовляють маловідповідальних лиття: пробки, патрубки, кришки, фланці, кожухи, плити, стійки, кнехти, барабани шпилів і брашпилів, якірні клюзи і ін. СЧ15, СЧ18, СЧ20 - ферритно-перлітні. З них виготовляють деталі, які відчувають низькі і середні динамічні навантаження, а також працюють в умовах сухого тертя з мастилом при повітряному або гідравлічному тиску. З ферритно-перлітних чавунів в автомобілебудуванні виготовляють картери, гальмівні барабани, кришки. У танкобудуванні сірий чавун є основним конструкційним матеріалом (станини і стійки верстатів, столи і верхні санчата, шпиндельні бабки, каретки і ін.). У судновому машинобудуванні - блок циліндрів, головки і гільзи циліндрів низько - і середньооборотних суднових дизелів, гідроциліндри, корпусу гідронасосів і золотників і інша відповідальна лиття.
Починаючи з СЧ25 чавуни мають перлитную основу і модифікується Графітізуючі присадками. Ці чавуни використовуються для виготовлення деталей, що працюють при високих динамічних і статичних навантаженнях або в важких умовах зносу: шестерні, зірочки, храповики, шпинделі, гальмівні барабани, спеціальні втулки.
Механічні властивості чавуну можуть бути ще поліпшені зміною форми графітових включень з витягнутих прожилок в круглі кулясті виділення. Чавун з кулястим графітом називається високоміцним (рис.4, а, д). Завдяки кулястої формі графіту металева основа чавуну є менш роз'єднаною, послаблює дію графітних включень, як надрізів, і сплав досягає міцності среднеуглеродистой стали - до 800 Мпа. Крім високої міцності куляста форма графіту забезпечує також наявність порівняно високою пластичності (до = 17%) і в'язкості високоміцного чавуну. Такий чавун отримують модифікування (мікролегуванням) рідкого чавуну присадками (0,1-0,5% магнію від маси оброблюваної порції чавуну, 0,2-0,3% церію, ітрію і деяких інших елементів). Для подрібнення включень вводять феросиліцій.