Безпосередньо після лиття структура білого чавуну складається з ледебуритної евтектики, у складі якої наявні перліт і цементит, та зерен перліту, по границях яких розташовується ледебуритна евтектика. Ледебуритна евтектика має пластинчасту і стільникову будову та розміщується по границях дендритів аустеніту. Оскільки така вихідна структура литого чавуну обумовлює його високу крихкість, виникла необхідність дослідити характер її зміни під впливом термічного циклу. З метою визначення кінетики структурно-фазових перетворень та встановлення закономірностей формування нових фаз, було проведено серію досліджень.

Для повної оцінки структурно-фазових перетворень, які відбуваються під час охолодження білого чавуну, зразки з нього діаметром 25 мм і висотою 60 мм були нагріті до температури 950 °С, витримані протягом 1 години, а потім охолоджені в середовищі ГЛ-1 з початковою температурою 20 °С. У процесі охолодження фіксували зміну температури зразків (рис. 1).

Як випливає з рис. 1, на кривій охолодження білого чавуну спостерігаються перегини, які дають змогу судити про структурно-фазові перетворення, що перебігають у чавуні.

Аналіз характеристик (табл. 1) кривої охолодження (температурних інтервалів структурно-фазових перетворень) білого чавуну свідчить, що в інтервалі температур від 950 до 830 °С крива охолодження із структурою аустеніту і цементиту змінюється плавно, а швидкість охолодження є високою (перший період).

Рисунок 1. Зміна температури зразка білого чавуну в процесі охолодження в середовищі ГЛ-1

Таблиця 1. Характеристики кривої охолодження білого чавуну

Період охолодження

Параметри охолодження

інтервал температур, °С

тривалість, с

середня швидкість, °С/с

від

до

1

950

830

60

2

2

830

660

265

0,6

3

660

650

150

0,07

4

650

400

625

0,4

Під час охолодження в інтервалі температур від 830 до 660 °С швидкість зниження температури сповільнюється, що можна пояснити виділенням вторинного цементиту з аустеніту. Цей процес супроводжується виділенням прихованої теплоти кристалізації, яка й уповільнює темп охолодження (другий період). В інтервалі температур 660–650 °С охолодження чавуну різко гальмується, і на кривій спостерігається практично горизонтальна ділянка постійної температури (третій період). Це зумовлено тим, що за такої температури відбувається евтектоїдне перетворення аустеніту на перліт, яке супроводжується значним виділенням внутрішньої теплоти перетворення. Другим фактором, який впливає на зниження швидкості охолодження, є частковий розпад (графітизація) різних видів цементиту (ледебуритного, вторинного та перлітного), що активізується за температур перлітного перетворення й призводить до утворення пластівчастого графіту та феритної облямівки навколо нього. Отже, структура білого чавуну після завершення перлітного перетворення складається з пластинчастого перліту, по границях зерен якого розташовуються вкраплення пластівчастого графіту з феритною облямівкою. Подальше охолодження чавуну нижче 650 °С, як випливає з кривої на рис. 1, не спричиняє істотного впливу на структурні зміни в сплаві (четвертий період).

Отримані результати дозволяють запропонувати схему формування структури ковкого ферито-перлітного чавуну внаслідок виділення вуглецю за температури аустенітизації та подальшого охолодження білого чавуну в середовищі ГЛ-1. Суть схеми полягає в наступному: у структурі, що складається з аустеніту і цементиту за умови витримки вище Ас₁, найбільш активні поверхневі об’єми цементиту дифундують в аустеніт і розчиняються в ньому, а частина атомів вуглецю переміщується по границях зерен аустеніту та концентрується в місцях дефектів кристалічної ґратки, утворюючи зародки графітових вкраплень. Після завершення витримки за температури 930–950 °С структура чавуну складається з графітових вкраплень, оточених аустенітом. При охолодженні нижче Аr₁ аустеніт розпадається на перліт. У цьому разі настає період взаємодії між цементитом і феритом.

Оскільки ферит практично не розчиняє вуглець, то всі надлишкові атоми вуглецю дифундують по границях зерен до місць скупчення раніше утворених графітових вкраплень, збільшуючи їхні розміри. Частина атомів вуглецю потрапляє в інші дефектні ділянки, утворюючи нові, дрібніші скупчення графіту. Тому кінцева структура чавуну містить дрібні та великі графітові вкраплення пластівчастої форми.

Запропонований підхід також підтвердився під час охолодження в середовищі ГЛ-1 сірого перлітного чавуну. Таким чином, результати експериментальних досліджень структури білого та сірого чавунів до і після охолодження в середовищі ГЛ-1 підтверджують коректність запропонованих теоретичних положень.