Белый чугун: строение, структура и свойства

Белый чугун получил своё название по цвету излома: поверхность свежего скола блестяще-белая, а не матово-серая, как у серого чугуна. Причина этого отличия кроется в структуре: весь углерод в белом чугуне связан в цементит $Fe_3C$, а не выделен в виде графита. Именно это определяет экстремальную твёрдость, высокую хрупкость и особую область применения такого сплава. Разберём строение белого чугуна по участкам диаграммы состояния железо-углерод, типы структурных составляющих и практические свойства.

Что такое белый чугун и почему он белый

Белый чугун это железоуглеродистый сплав с содержанием углерода от 2,14 до 6,67 процента, в котором весь углерод находится в химически связанной форме - в виде цементита $Fe_3C$. Цементит имеет светлую металлическую блестящую поверхность излома, отсюда и название.

Для сравнения: в сером чугуне кремний (1,5-3 %) сдвигает равновесие в сторону стабильной системы железо-графит, и избыточный углерод выпадает в виде графитовых пластин. В белом чугуне кремния меньше (обычно менее 0,8 %), скорость охлаждения выше, а химический состав ближе к метастабильной системе железо-цементит. В этих условиях графит не успевает зародиться, и весь углерод фиксируется в $Fe_3C$.

Цементит - твёрдая (около 800 HB) и хрупкая фаза с ромбической кристаллической решёткой. Высокое его содержание делает белый чугун нережущимся обычным инструментом, но стойким к истиранию.

Рассчитать для своей задачи

Диаграмма железо-углерод и три группы белых чугунов

По диаграмме состояния железо-цементит белые чугуны делятся на три группы в зависимости от содержания углерода относительно эвтектической точки (4,3 %):

Доэвтектические (2,14 - 4,3 % C). При охлаждении из расплава первой твёрдой фазой выпадает аустенит. При достижении линии ликвидус начинается кристаллизация аустенита, оставшийся расплав обогащается углеродом до эвтектического состава и при 1147 °C кристаллизуется ледебуритом. В результате структура состоит из первичного аустенита (превратившегося при дальнейшем охлаждении в перлит и вторичный цементит) и ледебурита.

Эвтектические (ровно 4,3 % C). Весь расплав при 1147 °C кристаллизуется единовременно по эвтектической реакции с образованием ледебурита. Структура при комнатной температуре - чистый ледебурит (перлит + цементит в характерной сотовой морфологии).

Заэвтектические (4,3 - 6,67 % C). Первой из расплава кристаллизуется первичный цементит в виде крупных пластин (игл). Оставшийся расплав также кристаллизует ледебурит. Структура: крупные белые пластины первичного цементита на фоне ледебуритной матрицы.

Разбор типов структур и состав конкретной точки диаграммы подробно рассмотрен в статье про первичный и вторичный цементит.

Ледебурит как главная структурная составляющая

Ледебурит это эвтектика системы железо-цементит с содержанием углерода 4,3 %, образующаяся при 1147 °C. При этой температуре ледебурит состоит из аустенита и цементита. При дальнейшем охлаждении до комнатной температуры аустенит претерпевает эвтектоидное превращение и становится перлитом (феррит + цементит). Поэтому при комнатной температуре ледебурит представляет собой смесь перлита и цементита.

Морфологически ледебурит выглядит как сотовая структура: округлые «острова» перлита (тёмные при травлении шлифа) расположены в непрерывной цементитной матрице (светлая). Эта непрерывная цементитная сетка и обеспечивает жёсткость и хрупкость: трещина легко распространяется по цементиту, который не деформируется пластически.

Важно понимать, что ледебурит не совсем однороден по всему сечению отливки. В более толстых сечениях, где охлаждение медленнее, аустенит успевает вырасти крупнее, перлитные острова становятся больше. В тонких участках аустенит мельче и перлит более дисперсный.

Вторичный цементит в доэвтектических белых чугунах

В доэвтектических белых чугунах помимо ледебурита присутствует вторичный цементит. Он выделяется из первичного аустенита при охлаждении ниже линии ES диаграммы (примерно 1147-727 °C), когда растворимость углерода в аустените падает с 2,14 до 0,8 %.

Вторичный цементит выделяется по границам аустенитных зёрен в виде сетки или пластин. После полного охлаждения он видён как непрерывная или прерывистая белая сетка вокруг перлитных зёрен (бывшего аустенита). Эта сетка дополнительно охрупчивает материал: даже в тех зонах, где ледебурита нет, граничный цементит служит местом зарождения трещин.

Содержание вторичного цементита тем выше, чем ближе состав к эвтектическому. В слабодоэвтектических (около 2,5 % C) чугунах его мало, и структура напоминает заэвтектоидную сталь с очень широкими цементитными оторочками.

Рассчитать для своей задачи

Механические свойства и причины хрупкости

Непрерывная цементитная матрица ледебурита объясняет все механические свойства белого чугуна:

• Твёрдость 450-700 HB (зависит от содержания углерода и доли ледебурита). Это один из самых твёрдых промышленных материалов из числа металлических сплавов. Обработка возможна только шлифованием и эрозионными методами.
• Предел прочности на растяжение всего 80-200 МПа - значительно ниже, чем у серого чугуна. Цементит не способен пластически деформироваться.
• Ударная вязкость практически нулевая. Белый чугун раскалывается от удара без предварительной пластической деформации.
• Стойкость к истиранию высокая. Твёрдость цементита обеспечивает отличное сопротивление абразивному износу.
• Сжимающая прочность выше растягивающей, как и у серого чугуна, но абсолютные значения выше.

Причина хрупкости - не только твёрдость цементита, но и его геометрия: непрерывная трёхмерная сетка $Fe_3C$ задаёт матрицу, в которой мягкий перлит изолирован, и трещина движется по цементиту, не встречая пластичных барьеров.

Отжиг на ковкий чугун: превращение структуры

Одно из важных применений белого чугуна - заготовка для производства ковкого чугуна через графитизирующий отжиг. Белый чугун отливают в нужную форму, затем подвергают длительному отжигу (900-1050 °C, несколько суток).

При этом цементит распадается: $Fe_3C \to 3Fe + C$ (углерод). Выделившийся углерод собирается в компактные хлопьевидные включения графита-отжига. В отличие от пластинчатого графита серого чугуна, хлопьевидная форма не концентрирует напряжения так остро, поэтому ковкий чугун имеет некоторую пластичность.

Марки ковкого чугуна по ГОСТ 1215 обозначаются КЧ. Подробнее о классификации - в материале о маркировке ковкого чугуна КЧ.

Отбелённый чугун и поверхностная твёрдость

На практике полностью белый чугун используют редко. Чаще встречается отбелённый чугун: серый чугун с белым слоем на поверхности детали. Такую структуру получают умышленно, применяя металлические кокили (металлические формы): поверхность охлаждается быстро, цементит не успевает распасться и образуется белый слой толщиной несколько миллиметров; сердцевина охлаждается медленнее и кристаллизует серый чугун с графитом.

Результат - твёрдая износостойкая поверхность плюс вязкая ударостойкая сердцевина. Такое сочетание используется в прокатных валках, колёсах железнодорожного транспорта, шарах шаровых мельниц, дробильных плитах.

Рассчитать для своей задачи

Применение белого чугуна

Области применения белого чугуна определяются балансом: высокая абразивная стойкость против нулевой ударной вязкости.

• Футеровки и плиты шаровых и трубных мельниц - истирание абразивом, ударов нет.
• Шары для размола руды - то же.
• Прокатные валки (чугунные с отбелённым слоем) - поверхность работает на истирание, сердцевина поглощает крутящий момент.
• Тормозные колодки трамваев и вагонов метро - износостойкость, теплоёмкость.
• Зубья дробилок и лотки для абразивов - если нагрузка равномерна без ударов.
• Заготовка для ковкого чугуна - тонкостенные отливки, подлежащие графитизирующему отжигу.

Белый чугун не варят (сварка вызывает трещины из-за хрупкости), не куют и не штампуют. Механическая обработка - только шлифовка.

Частые ошибки

• Путать цвет излома с цветом внешней поверхности. Снаружи белый чугун тёмный от окалины, как и серый. Разница проявляется только на свежем изломе.
• Считать белый чугун непригодным вообще. У него есть своя ниша: абразивостойкость в условиях без ударов и заготовка для ковкого чугуна.
• Думать, что любой чугун при быстром охлаждении даст белую структуру. Высококремнистые чугуны (3 % Si и выше) графитизируются даже при кокильном литье.
• Путать ледебурит с перлитом. Перлит это эвтектоид (феррит + цементит, 0,8 % C, 727 °C), ледебурит - эвтектика (аустенит/перлит + цементит, 4,3 % C, 1147 °C).
• Полагать, что отжиг просто смягчает структуру. Графитизирующий отжиг качественно меняет фазовый состав: цементит распадается, появляется графит отжига.

FAQ

Чем белый чугун отличается от серого по составу? Главное отличие не в содержании углерода (обе группы 2,14-6,67 %), а в содержании кремния и скорости охлаждения. В белом чугуне кремния меньше (обычно до 0,8 %), а охлаждение быстрее - углерод не успевает выделиться графитом и остаётся в форме цементита $Fe_3C$.

Можно ли обработать белый чугун резанием? Практически нет: твёрдость 450-700 HB выше твёрдости большинства режущих инструментов. Применяются шлифование абразивными кругами, электроэрозионная обработка и лазерная резка. Именно из-за неудобства обработки белый чугун используют либо как готовое литьё, либо отжигают на ковкий.

Что происходит с белым чугуном при нагреве? При нагреве выше 727 °C цементит в белом чугуне начинает медленно распадаться на аустенит и графит. Этот процесс лежит в основе производства ковкого чугуна. При более высоких температурах (выше 950 °C) скорость распада резко растёт - именно поэтому графитизирующий отжиг ведут при 900-1050 °C.

Коротко

Белый чугун - это железоуглеродистый сплав, в котором весь углерод зафиксирован в цементите $Fe_3C$, а не выделен в виде графита. Строение определяется содержанием углерода: доэвтектические (до 4,3 % C) содержат первичный аустенит (перлит) и ледебурит; эвтектические состоят из чистого ледебурита; заэвтектические несут крупные пластины первичного цементита в ледебуритной матрице. Главная структурная составляющая - ледебурит (перлит + цементит) с непрерывной цементитной сеткой, которая даёт твёрдость 450-700 HB, полную хрупкость и высокую абразивостойкость. Белый чугун используют в деталях истирания без ударных нагрузок и как заготовку для отжига на ковкий чугун.