Графитизация

Графитизация (graphitization) – процесс образования графита в железоуглеродистых, никелевых, кобальтовых сплавах и др., в частности — в чугунах и сталях. Графитизация может иметь место в металлических сплавах, в которых углерод содержится в виде нестойких карбидов (химических соединений углерода с металлами).

Общая информация:
При повышенных температурах карбид может полностью заменяться графитом. Скорость графитизации увеличивается с повышением температуры. Ускоряют графитизацию предварительной закалкой, деформацией, облучением. Кроме того для ускорения графитизации в сталь или чугун обычно вводят кремний или, реже, алюминий. Графитизацию чёрных (железоуглеродистых) сплавов используют при получении изделий из ковкого чугуна и графитизированной подшипниковой и штамповой стали. Графитизация стали обычно ухудшает её механические свойства (снижает прочность и пластичность). Вместе с тем графит, обладая смазочными свойствами, повышает износоустойчивость изделий. Графитизация ряда сплавов (инструментальные режущие, пружинные, котельные и др. стали) также снижает их эксплуатационные качества и поэтому является нежелательной. Приостановить графитизацию можно введением добавок (хрома, марганца и др.), которые увеличивают устойчивость карбидов. Иногда под графитизацией понимают образование графита в железоуглеродистых сплавах, не содержащих карбидов. Графит выделяется из пересыщенных углеродом сплавов при их затвердевании и последующем охлаждении.

Если графит сформирован в течение затвердевания, то это явление называют первичной графитизацией; если графит сформирован позже, путем термообработки — это вторичная графитизация.

Кроме вышеизложенного графитизацией называют непосредственно технологический процесс отжига белого чугуна таким способом, при котором некоторая часть или весь связанный углерод превращается в графит или, в некоторых случаях, часть углерода удаляется. [1]

Процесс графитизации

В железоуглеродистых сплавах в свободном виде углерод находится в форме графита. Кристаллическая структура графита слоистая. Прочность и пластичность графита низкие. Процесс графитизации начинается при температуре выше 1130°С из расплава и при содержании углерода >0,8%. Интенсивность выделения зависит от количества углерода, скорости охлаждения, давления (при кристаллизации расплава), наличия других химических элементов. [2]

Обычно под скоростью процесса графитизации в технологии определяется величина, обратная продолжительности отжига, обеспечивающего графитизацию.[3]

Процесс графитизации начинается зарождением центров графитизации. Увеличению удельного числа центров графитизации в белом чугуне способствует повышение в чугуне содержания углерода, кремния и элементов, не растворяющихся в цементите и не стабилизирующих его, рафинирование чугуна от газов и инокулирующее модифицирование, выдержка чугуна при нагреве

400°, ускоренная кристаллизация при затвердевании отливки, ускоренный нагрев и перекристаллизация (эвтектоидное превращение, закалка), деформация чугуна и др.

В процессе графитизации существенную роль играет диффузия, в первую очередь диффузия углерода.

Процессы графитизации наряду с другими фазовыми превращениями формируют структуру и свойства чугуна и поэтому представляют большой интерес для науки и практики получения этого материала. Изучению процессов графитизации посвящено много исследований. В первую очередь стоит назвать монографии К.П. Бунина, Я.Н. Малиночки, Ю.Н. Тарана и Н.Г. Гиршовича, в которых вопросы металловедения и графитизации чугуна изложены фундаментально, раскрыты механизмы многих процессов и установлены взаимосвязи технологических параметров со структурой и свойствами чугуна. Вопросы теории графитизации изложены в монографиях Н.Г. Гиршовича, В.Ф. Зубарева, И.Н. Богачёва, Ю.Г. Бобро, А.А Баранова, К.П. Бунина, Э.Д. Глебовой и М.И. Притомановой. Много работ по теории графитизации опубликовано и в периодической печати.

Структура графита в чугунах большинства отливок формируется при кристаллизации чугуна, т.е. при затвердевании отливок. Последующие процессы графитизации при остывании отливок не изменяют ни формы графита, ни характера его распределения. Только в ковких чугунах и в некоторых случаях в высокопрочных в тонкостенных отливках графит формируется после затвердевания отливок в результате графитизирующего отжига. Поэтому большой интерес к формообразованию графита проявляется в случае кристаллизации чугунов (первичной графитизации), а не графитизации при отжиге (вторичной графитизации).

Графитизация чугуна

Склонность к графитизации является фундаментальной характеристикой чугуна, определяющей подавляющее большинство технологических и эксплуатационных свойств этого материала, зависящий от того, как проходит или прошла графитизация чугуна, какова структура чугуна. Графитная фаза и графитизация является основным, наиболее существенным и одновременно наиболее просто контролируемым, а иногда и управляемым фактором (из многих, формирующих большинство свойств чугуна).

Графитизация чугуна при кристаллизации способствует повышению его жидкотекучести, формозаполняемости.

Графитизация чугуна при кристаллизации способствует и уменьшению дефектов в отливке усадочного происхождения: раковин, макро- и микропористости, утяжин. Графитизация при кристаллизации чугуна позволяет уменьшить объём прибылей. Графитизация чугуна в период кристаллизации способствует уменьшению напряжений и уменьшению трещинообразований.

При производстве белых и ковких чугунов графитизация при кристаллизации является нежелательным процессом, снижающим в конечном итого эксплуатационные свойства чугунов: белых — износостойкость, ковких — прочность и вязкость.

Таким образом, графитизация улучшает все технологические свойства графитизируемых чугунов, за исключением тех случаев, когда отливка должна быть изготовлена из белого чугуна. [3]

Графитизация железоуглеродистых расплавов без первоначального выделения металлических фаз в условиях, близких к равновесным, происходит в заэвтектических сплавах. Графитизирующее модифицирование, способствуя созданию неравновесного состояния расплава, макро- и микрофлуктуаций, как и некоторые приёмы плавки, создают благоприятные условия для процессов графитизации и расплавов доэвтектических сплавов.

Для справки:

1. Графитизацией также называется термическая обработка в производстве графитированной продукции, которая заключается в нагреве карбонизованных углеродных материалов по заданному тепловому режиму (выше 2200°С) для получения в них структуры графита. Графитизация материалов блочного типа (электроды, аноды и т.п.) приводит к улучшению свойств: повышению термостойкости; улучшению механической обрабатываемости; снижению зольности, окисляемости и т.д.. Графитизацию ведут в специальных электропечах сопротивления, где керн с графитированным материалом является нагревательным элементом.
2. В ювелирной промышленности графитизацией называют явление перехода алмаза в графит, происходящее при повышенных температурах; наблюдается на поверхности бриллиантов, перегретых при трении об алмазный круг в процессе шлифовки, как подгар.

Автор обзора: Корниенко А.Э. (ИЦМ)

Лит.:

1. Металлы и сплавы. Справочник. Под редакцией Ю.П. Солнцева; НПО «Профессионал», НПО «Мир и семья»; Санкт-Петербург, 2003 г.
2. Гуляев А.П. Металловедение. — М.: Металлургия, 1977. — УДК669.0(075.8).
3. Неижко И.Г. Графитизация и свойства чугуна. АН УССР. Институт проблем литья. — Киев: наук. думка, 1989. — 208 с.
4. Бунин К.П., Баранов А.А., Погребной Э.Н. Графитизация стали. — Киев: Изд-во АН УССР, 1961.

Читайте также:  Солнце как способ ориентирования

Дополнительная литература для изучения:

1. Ващенко К.И., Софрони Л. Магниевый чугун. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Южное отделение Машгиза, Киев, 1960. — 487 с. [Перейти к аннотации]
2. Панов А.Г. Метод повышения стабильности результатов модифицирования графитизированных чугунов . // М: Литейщик России, 2010, №8. — с. 17-19. [Перейти к статье]
3. Андреев В.В., Капустина Л.С. Роль активных элементов в повышении эффективности графитизирующих железо-кремниевых лигатур – Сб.докладов Литейного консилиума №1 «Модифицирование как эффективный метод повышения качества чугунов и сталей» — Челябинск: Челябинский Дом печати, 2006. [Перейти к статье]
4. Андреев В.В., Капустина Л.С. Сравнительные исследования эффективности графитизирующих модификаторов с различным содержанием бария – Сб.докладов Литейного консилиума №1 «Модифицирование как эффективный метод повышения качества чугунов и сталей» — Челябинск: Челябинский Дом печати, 2006. [Перейти к статье]
5. Богачев И.Н., Давыдов Г.С., Рожкова С.Б. Графитизация и термическая обработка белого чугуна. М.: Машиностроение, 1964. — 147 с.
6. Богачев И.Н. О механизме графитизации белого чугуна // Новое в теории и практике литейного производства. М.: Машгиз, 1956. С. 127-133.
7. Зубарев В.Ф. Теоретические основы графитизации белого чугуна и стали. М.: Машгиз, 1957. — 347 с.

Конкурс «Я и моя профессия: металловед, технолог литейного производства». Узнать, участвовать >>> —>

Источник

Графитизация чугунов

Графитизацией называется процесс выделения графита при кристаллизации или охлаждении чугунов. Графит может образовываться как из жидкой фазы при кристаллизации, так и из твердой фазы. В соответствии с диаграммой Fе—С ниже линии С’D’ образуется первичный графит, по линии Е’С’Р’— эвтектический графит, по линии Е’S’— вторичный графит и по линии Р’S’К’— эвтектоидный графит.

Графитизация чугуна и ее полнота зависит от скорости охлаждения, химического состава и наличия центров графитизации.

Влияние скорости охлаждения обусловлено тем, что графитизация чугуна протекает очень медленно и включает несколько стадий:

• образование центров графитизации в жидкой фазе или аустените;

• диффузия атомов углерода к центрам графитизации;

• рост выделения графита.

При графитизации цементита добавляются стадии предварительного распада FезС и растворение углерода в аустените. Чем медленнее охлаждение чугуна, тем большее развитие получает процесс графитизации.

В зависимости от степени графитизации различают чугуны белые, серые и половинчатые.

Белые чугуны — получаются при ускоренном охлаждении и при переохлаждении жидкого чугуна ниже 1 147 °С, когда в силу структурных и кинетических особенностей будет образовываться метастабильная фаза FезС, а не графит. Белые чугуны, содержащие связанный углерод в виде FезС, отличаются высокой твердостью, хрупкостью и очень трудно обрабатываются резанием. Поэтому они как конструкционный материал не применяются, а используются для получения ковкого чугуна путем графитизирующего отжига.

Серые чугуны— образуются только при малых скоростях охлаждения в узком интервале температур, когда мала степень переохлаждения жидкой фазы. В этих условиях весь углерод или его большая часть графитизируется в виде пластинчатого графита, а содержание углерода в виде цементита составляет не более 0,8 %. У серых чугунов хорошие технологические и прочностные свойства, что определяет широкое применение их как конструкционного материала.

Половинчатые чугуны— занимают промежуточное положение между белыми и серыми чугунами, и в них основное количество углерода (более 0,8 %) находится в виде FезС. Чугун имеет структуру перлита, ледебурита и пластинчатого графита.

Промышленные чугуны содержат 2,0-4,5 % С, 1,0-3,5 % Si, 0,5-1,0 % Мn, до 0,3 % Р и до 0,2 % S.

Наиболее сильное положительное влияние на графитизацию оказывает кремний. Меняя содержание кремния, можно получать чугуны с различной структурой и свойствами.

Структурная диаграмма (рис. 7.2) приближенно указывает границы структурных областей в зависимости от содержания кремния и углерода при содержании 0,5 % Мn и заданной скорости охлаждения (при толщине стенки отливки 50 мм).

Рис. 7.2. Структурная диаграмма:

1 — белые чугуны; 2 — половинчатые чугуны;

3, 4, 5 — серые чугуны на перлитной, феррито- перлитной и ферритной основе соответственно

Марганец препятствует графитизации, увеличивая склонность чугуна к отбеливанию.

Сера является вредной примесью. Ее отбеливающее влияние в 5-6 раз выше, чем марганца. Кроме того, сера снижает жидкотекучесть, способствует образованию газовых пузырей увеличивает усадку и склонность к образованию трещин.

Фосфор не влияет на графитизацию и является полезной примесью, увеличивая жидкотекучесть серого чугуна за счет образования легкоплавкой (950-980) ° С фосфидной эвтектики.

Таким образом, регулируя химический состав и скорость охлаждения можно получать в отливках нужную структуру чугуна.

Классификация серых чугунов

Серый чугун можно рассматривать как структуру, которая состоит из металлической основы с графитными включениями. Свойства чугуна зависят от свойств металлической основы и характера графитных включений.

Металлическая основа может быть: перлитной, когда 0,8 % С находится в виде цементита, а остальной углерод в виде графита;

феррито-перлитной, когда количество углерода в виде цементита менее 0,8 % С; ферритной, когда углерод находится практически в виде графита.

В зависимости от формы графитных включений серые чугуны классифицируются на:

— чугун с пластинчатым графитом;

• чугун с хлопьевидным графитом (ковкий чугун);

• чугун с шаровидным графитом (высокопрочный чугун);

• чугун с вермикулярным графитом.

На рис. 7.3 дана обобщенная классификация чугунов по строению металлической основы и форме графита.Микроструктура чугунов приведена на рис. 7.4.

Рис. 7.3. Классификация чугунов по структуре металлической основы и в форме графитовых включений

Рис. 7.4. Различные формы графита в чугуне:

а) пластинчатый графит; б) хлопьевидный графит; в) шаровидный графит; г) вермикулярный графит, х 200

По сравнению с металлической основой графит имеет низкую прочность. Поэтому графитовые включения можно считать нарушениями сплошности (пустотами) в металлической основе, и чугун можно рассматривать, как сталь, пронизанную включениями графита, ослабляющими его металлическую основу. Вместе с тем наличие графита определяет и ряд преимуществ чугуна: хорошая жидкотекучесть и малая усадка; хорошая обрабатываемость резанием (графит делает стружку ломкой); высокие демпфирующие свойства; антифрикционные свойства и др.

В отдельную группу при классификации выделены чугуны со специальными свойствами. Как правило, эти чугуны легированные и делятся по назначению на следующие виды: антифрикционные, износостойкие, жаростойкие, коррозионностойкие, жаропрочные.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник