Чугун высокопрочный: графит шаровидный

Высокопрочные чугуны формально называются чугунами с шаровидным графитом, как, например, в ГОСТ 7293-85. Эти чугуны представляют собой пример триумфа металлургической науки в 1940-е годы. По-английски их называют немного по-другому: ductile cast iron – вязкие или пластичные чугуны.

Присадки магния или церия

Ученые-металлурги открыли, что путем присадки в чугун очень малых количеств магния или церия, а также поддержания в нем низкого уровня примесей серы и фосфора, можно изменить форму графита от связанных между собой лепестков-пластин, которые характерны для серого чугуна, в изолированные сферы или шары. Иногда их называют также сфероидами (рисунок 1).

struktura-chuguna-opticРисунок 1 – Структура высокопрочного чугуна (чугуна с шаровидным графитом). Оптический микроскоп, 100х

На рисунке 2 представлена микрофотография, выполненная электронном микроскопе после полировки и травления образца из высокопрочного чугуна, чтобы выявить графитные сфероиды. Эта микрофотография показывает, что поверхность графита в этих чугунах весьма гладкая и сферическая, в отличие от графита в ковких чугунах.

elektronnyy-microРисунок 2 – Глубокое травление образца из высокопрочного чугуна.
Электронный микроскоп, 950х

Количество магния в чугуне, которое необходимо для формирования шаровидного графита, составляет всего от 0,02 до 0,1 % магния, а церия – от 0,02 до 0,04 %. Церий является редкоземельным химическим элементом с атомным номером 58. Поскольку церий значительно дороже магния в промышленности при производстве высокопрочного чугуна применяют магний.

Рост шаровидного графита

Как и серые и белые чугуны высокпрочный чугун начинает затвердевание с образования аустенитных дендридов. Графитные сфероиды растут прямо из междендридной жидкости и не связаны друг с другом. Их формирование происходит в результате особого эвтектического роста графита в аустените.

sxema-obrazovaniya-sferoidovРисунок 3 – Схема образования микроструктуры
при затвердевании высокопрочного чугуна

Сфероиды на 100 % состоят из углерода в виде графита. Структура сфероида представляет собой набор из групп параллельных пластин, которые располагаются вокруг его центра (см. рисунок 1). Диаметр сфероида намного меньше, чем структурная ячейка серого чугуна – в одной ячейке серого чугуна поместится около 200 сфероидов высокопрочного чугуна.

Механические свойства чугунов по ГОСТ 7293-85

Механические свойства высокопрочных чугунов сравнимы со свойствами высокоуглеродистых сталей. Поскольку графитные сфероиды не связаны между собой и, кроме того, имеют гладкие поверхности, означает, что они не являются концентраторами напряжений.

Минимальные требования ГОСТ 7293-85 к механическим свойствам самого прочного чугуна с шаровидным графитом — чугуна марки ВЧ 100 – составляют:
— временное сопротивление при растяжении — 1000 МПа;
— предел текучести – 700 МПа;
— относительное удлинение – 2;
— твердость по Бриннелю — 270 НВ.

Фазовая структура матрицы чугуна

Фазовую структуру высокопрочного чугуна  – структуру матрицы — как и серого чугуна, контролируют процессом охлаждения, добавками легирующих элементов непосредственно перед разливкой и термической обработкой после разливки. В литом состоянии шаровидный чугун может быть ферритным, перлитным или, более часто, некоторой смесью перлитного и ферритного. На рисунке 3 представлена микрофотография шаровидного чугуна, структура которого является смесью небольшого количества феррито-перлитной структуры и преобладающей белой ферритной структуры.

matrica-chugunaРисунок 4 – Шаровидный чугун со структурой матрицы преимущественно
из феррита. Оптический микроскоп, 250х

Источник: John D. Verhoeven, Steel Metallurgy for Non-Metallurgists, 2007