Графит

Включения графита в чугуне имеют разную величину, форму и распределение, их основные типы показаны на рис. 7. Однако не все эти включения являются изолированными. Путем постепенного сошлифования К.П. Бунин и его сотрудники показали, что не только пластинчатый, но и междендритный графит представляют агрегаты (рис. 8), которые только при сечении на плоскости дают как бы разрозненные пластинки. Компактные же включения (рис. 7, г и д) являются действительно отдельными несвязанными агрегатами. При этом все включения графита как пластинчатые, так и шаровидные, являются не моно-, а поликристаллами с исходной структурой, как показал Д.П. Иванов, различно расположенных компактных гексагональных блоков пластинчатых слоев. Размеры этих поликристаллических образований весьма разнообразны: в случае пластинчатого графита они доходят до 1,0 мм, а в случае шаровидных включений — до 0,1 мм. Составляющие же их элементарные кристаллики значительно меньше (30—100 А).

Однако, несмотря на все разнообразие форм, графит имеет одно и то же кристаллическое строение — простую гексагональную решетку (рис. 9). Главной особенностью кристаллической структуры графита является ее слоистость, определяющаяся резко различными свойствами графита в разных направлениях (анизотропия). Наибольшей плотностью характеризуются его базовые плоскости (0001) с плотными атомными слоями (молекулами) в параллельных несколько сдвинутых одна относительно другой плоскостях на расстоянии 3,4 А и с межатомными расстояниями в слое в 1,42 А. Между атомами (ионами) углерода в плоскостях действуют большие ковалентные (гомеополярные) связи, энергия которых составляет 100—120 ккал/моль, обеспечивающие посредством трех электронов связь каждого атома с его тремя соседями в данном слое. Четвертый электрон атомов углерода является общим для всего слоя, обусловливая металлический характер связи и электропроводность графита. Между слоями (плоскими молекулами) графита действуют слабые вандерваальсовские (молекулярные) силы, энергия связи которых составляет только 1—3 ккал/моль. В соответствии с этим твердость и прочность графита в направлении главной гексагональной оси много больше, чем в перпендикулярном направлении. Поэтому графит обладает, с одной стороны, смазочными свойствами, обусловленными слабой связью между слоями, с другой стороны, вследствие высокой прочности атомов в слое полное разрушение гексагональной решетки происходит при температуре около 4000 С (рис. 2). Эти комплексы графита весьма устойчивы, вследствие чего они в той или иной мере сохраняются даже в растворе.

Параметры решетки графита даны в табл. 1, однако они могут колебаться в зависимости от происхождения графита и наличия в нем небольших примесей. В связи с этим представляют интерес результаты химического анализа графита. При исследовании углерода отжига Н.Т. Гудцовым было найдено в свое время значительное количество железа (—20%) и соответственно низкое содержание углерода (13,3—60%). Это железо было принято не как случайная механическая примесь, а как составная часть углерода отжига, который рассматривался в связи с этим как твердый раствор. Однако в дальнейшем опыты К.И. Ващенко подтвердили такое низкое содержание углерода только в спели (от 30 до 72,5% при увеличении содержания кремния в сплаве от 4,56 до 15,3%); в эвтектическом же графите, выделенном химическим путем из чугуна, содержание углерода оказалось значительно выше — от 98,5 до 99,3% при соответствующем содержании железа от 0,25 до 1,1%, что подтверждено затем рядом других исследователей. Поэтому нужно принять, что графит, если и образует с железом и другими элементами раствор (путем расположения примесей между плоскими слоями), то только весьма низкой концентрации и что большое содержание примесей, обнаруживаемое иногда в графите, является главным образом следствием механического захвата элементов при кристаллизации или недостаточной очистки пробы при ее подготовке. Вместе с тем следует иметь в виду, что графит является очень хорошим адсорбентом и поэтому интенсивно адсорбирует газы, с которыми (особенно с кислородом и водородом) образует те или иные комплексы. Это в сильной степени влияет на его свойства. При высоком содержании кислорода, иногда до 7%, повышается прочность графита, исчезают его смазывающие свойства и происходят резкие изменения в его структуpe.

Для характеристики графита весьма важно его внутреннее строение. При использовании методов расчленения, изучения свойств в разных направлениях и поляризованного света при микроскопических исследованиях обнаружено, что все виды пластинчатого графита состоят из параллельно расположенных лепестков в виде слоистого агрегата подобно слюде, характеризующегося весьма низкой прочностью (~ 2 кГ/мм2 на сжатие). Агрегаты эти являются, следовательно, пластинчатыми не только по внешней форме, но и по внутреннему строению; при этом базовая гексагональная плоскость кристаллической решетки во всех случаях располагается параллельно сторонам пластинок.

Пространственная форма шаровидного графита представляется исследователями либо в виде многогранников, форма которых навязана графиту окружающими зернами аустенита, либо в ряде случаев в виде шишкообразных образований со сложной мозаичной поверхностью из полусферических элементов, образующихся в процессе роста, либо, наконец, в виде многообразных включений, имеющих различную форму в зависимости от условий роста. Однако большее значение имеет вопрос о тонком строении шаровидного графита. Существуют три основные точки зрения в зависимости от представления о характере роста графита (рис. 10). Первое (в том числе и в историческом отношении) представление о секториально-пирамидальном строении шаровидного графита (рис. 10, а) является все еще доминирующим. По этой схеме элементарные кристаллики графита вытянуты в радиальном направлении в виде пирамид или конусов роста, основания которых представляют гексагональные базовые плоскости кристаллической решетки и совпадают с поверхностью включения, а вершины сходятся в центре, представляя таким образом совокупность перистых кристаллов, лучисто направленных из одного центра. При разрушении включения распадаются на сектора, которые изгибаются при приближении к центру. По секториально-параллельной схеме (рис. 10, б) базовые плоскости уже располагаются не параллельно, а перпендикулярно поверхности включения и расщепление возможно между отдельными лепестками. Наконец, третья схема (рис. 10, в) принимает рост графита путем винтовой дислокации, вызываемой посторонними включениями. Рост осуществляется путем нарастания атомов на кромках спирали. При этом базовые плоскости решетки микрокристаллов располагаются параллельно плоскости включения, а ось винтовой дислокации перемещается от плоскости одного кристалла к плоскости другого на угол а за 1 оборот.

Таким образом, в настоящее время нет, к сожалению, достоверной картины строения шаровидного графита, хотя ряд исследовании последнего времени все больше подтверждает схему рис. 10, а или 10, в. Окончательное решение этого вопроса несомненно будет способствовать созданию правильной теории графитизации.