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

Графитизация чугуна [iron graphitization]: образование графита в чугуне из жидкости или аустенита при его медленном охлаждении или при последующем специализированном отжиге (графитизирующий отжиг), сопровождается частичным или полным разложением цементита. Если графит образовался при кристаллизации частично в виде чешуек, то дальнейшее образование графита из аустенита будет происходить отложением углерода на ранее выделенных частицах. Считается, что этим определяется различие во внешней форме графита в чугунах.

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.