Большая часть высокопрочного чугуна, используемого в реальном производстве, имеет состав, близкий к эвтектическому. Толстостенные отливки имеют доэвтектический состав, а тонкостенные — заэвтектический, но они не сильно отличаются от эвтектического состава.
В высокопрочном чугуне эвтектического и гиперэвтектического состава при эвтектической кристаллизации из жидкой фазы сначала выпадают в осадок мелкие графитовые шарики. Даже в высокопрочном чугуне доэвтектического состава, из-за увеличения переохлаждения расплавленного железа после сфероидизации и инокуляции, мелкие графитовые шарики сначала выпадают в осадок при температуре, значительно превышающей равновесную температуру эвтектического превращения. Первая партия мелких графитовых шариков образуется при температуре 1300℃ или даже выше.
В последующем процессе затвердевания, по мере снижения температуры, часть первоначальной партии мелких графитовых шариков увеличивается в размерах, часть снова растворяется в расплавленном железе, и одновременно происходит осаждение новых графитовых шариков. Осаждение и рост графитовых шариков происходят в очень широком диапазоне температур.
По мере роста графитовых включений содержание углерода в окружающем расплавленном железе уменьшается, и вокруг графитовых включений образуется аустенитная оболочка. Время образования аустенитной оболочки зависит от скорости охлаждения отливки в форме: при высокой скорости охлаждения углерод в расплавленном железе не успевает равномерно диффундировать, и аустенитная оболочка образуется раньше; при низкой скорости охлаждения происходит равномерная диффузия углерода в расплавленном железе, и образование аустенитной оболочки происходит позже.
До образования аустенитной оболочки графитовые включения непосредственно контактируют с расплавленным железом с высоким содержанием углерода, и углерод из расплавленного железа легко диффундирует в графитовые включения, вызывая их рост. После образования аустенитной оболочки диффузия углерода из расплавленного железа в графитовые включения затрудняется, и скорость роста графитовых включений резко падает. Поскольку удельная теплота кристаллизации, выделяющаяся при осаждении графита из расплавленного железа, велика (около 3600 Дж/г), а удельная теплота кристаллизации, выделяющаяся при осаждении аустенита из расплавленного железа, мала (около 200 Дж/г), образование аустенитной оболочки вокруг графитовых включений и замедление их роста значительно замедляют выделение удельной теплоты кристаллизации. В таких условиях эвтектическая кристаллизация может быть осуществлена только путем дальнейшего понижения температуры для образования новых кристаллических зародышей. Следовательно, эвтектическое превращение высокопрочного чугуна должно завершаться в относительно широком диапазоне температур, причем диапазон температур его затвердевания в два раза или более превышает диапазон температур серого чугуна, с типичными характеристиками затвердевания пастообразной массы.
Вкратце, характеристики затвердевания высокопрочного чугуна в основном включают следующие аспекты.
1. Широкий диапазон температур затвердевания.
Из диаграммы равновесия железоуглеродистого сплава видно, что диапазон температур затвердевания вблизи эвтектического состава невелик. Фактически, после сфероидизации и введения примесей расплавленного железа процесс его затвердевания значительно отклоняется от равновесного состояния. Примерно на 150℃ выше температуры эвтектического превращения (1150℃) начинают осаждаться графитовые сферы, и температура в конце эвтектического превращения может быть примерно на 50℃ ниже равновесной температуры эвтектического превращения.
Для сплавов с таким широким диапазоном температур затвердевания трудно добиться последовательного затвердевания отливок путем образования пастообразной массы. Поэтому, согласно принципу проектирования питателей для стальных отливок, схема установки большого питателя в последней затвердевшей горячей точке для достижения последовательного затвердевания отливки не очень подходит.
Поскольку графитовые шарики образуются при очень высоких температурах и происходит эвтектическое превращение, жидкостно-твердая фаза сосуществует в течение длительного времени, и в процессе затвердевания расплавленного железа одновременно происходят усадка жидкости и усадка при затвердении. Поэтому вряд ли удастся полностью компенсировать усадку жидкости с помощью системы заливки и питателей, как это делается при производстве стальных отливок.
2. Осаждение графита при эвтектическом превращении приводит к объемному расширению.
Вблизи эвтектической температуры плотность аустенита составляет около 7.3 г/см³, а плотность графита — около 2.15 г/см³. В процессе затвердевания отливки осаждение графита вызывает объемное расширение системы, при этом на каждый 1% (массовая доля) осажденного графита приходится примерно 3.4% объемного расширения.
Правильное использование эффекта графитового расширения в чугуне позволяет эффективно компенсировать усадку объема в процессе затвердевания. При определенных условиях можно изготавливать качественные отливки без питателей.
Следует подчеркнуть, что как серый чугун, так и высокопрочный чугун в процессе эвтектического превращения осаждают графит и увеличиваются в объеме. Однако из-за различной морфологии графита и механизмов его роста в этих двух типах чугуна влияние графитового расширения на характеристики литья также существенно различается.
Чешуйчатый графит в эвтектическом кластере серого чугуна растет преимущественно на вершине, непосредственно контактирующей с расплавленным чугуном. Большая часть объемного расширения, вызванного ростом графита, воздействует на расплавленный чугун, контактирующий с вершиной графита, что способствует его заполнению зазоров между аустенитными ветвями, тем самым повышая плотность отливки.
Графит в высокопрочном чугуне растет в условиях окружения аустенитной оболочкой. Объемное расширение, вызванное ростом графитовых шариков, происходит главным образом за счет воздействия аустенитной оболочки на соседние эвтектические кластеры, что может привести к их сжатию, расширению зазоров между эвтектическими кластерами и легкому воздействию на стенку литейной формы через эвтектические кластеры, вызывая смещение стенки формы.
3. Графитизация в процессе затвердевания при литье легко приводит к смещению стенок формы.
Ковкий чугун затвердевает в виде пастообразной массы. Когда отливка начинает затвердевать, внешний поверхностный слой на границе раздела форма-металл значительно тоньше, чем у серого чугуна, и растет очень медленно. Даже спустя длительное время поверхностный слой остается тонкой оболочкой с низкой прочностью и плохой жесткостью. Когда внутри происходит графитизация, этой оболочки недостаточно, чтобы противостоять силе расширения, и она может смещаться наружу. Если жесткость отливки низкая, происходит смещение стенок формы и расширение полости формы. В результате страдает не только точность размеров отливки, но и усадка после графитизации не может быть компенсирована, что приводит к дефектам, таким как усадочные полости и усадка внутри отливки.
4. Содержание углерода в эвтектическом аустените выше, чем в сером чугуне.
При затвердевании эвтектики серого чугуна графитовые хлопья в эвтектической группе контактируют как с аустенитом, так и с расплавленным железом с высоким содержанием углерода. Помимо диффузии из аустенита в графит, углерод из расплавленного железа также диффундирует непосредственно в графитовые хлопья. Поэтому содержание углерода в аустените на границе раздела расплавленное железо-аустенит относительно низкое, около 1.55%.
При затвердевании эвтектики высокопрочного чугуна графитовые сферы в эвтектической группе контактируют только с аустенитной оболочкой, а не с расплавленным чугуном. По мере роста графитовых сфер углерод из расплавленного чугуна диффундирует в графитовые сферы через аустенитную оболочку. Поэтому содержание углерода в аустените на границе раздела расплавленное чугун-аустенит относительно высокое и достигает примерно 2.15%.
При затвердевании эвтектики высокопрочного чугуна содержание углерода в аустените может быть относительно высоким. При одинаковом содержании углерода и кремния, если поддерживается одинаковая скорость охлаждения, количество осажденного графита относительно невелико. Поэтому объемная усадка при эвтектическом затвердевании будет несколько больше, чем у серого чугуна. Это также одна из причин, почему отливки из высокопрочного чугуна более склонны к усадке и дефектам, вызванным усадкой. Поддержание низкой скорости охлаждения при затвердевании является фактором, способствующим полному осаждению графита.
