Особенности формирования эвтектик при кристаллизации половинчатых чугунов

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Половинчатые чугуны, содержащие в своей структуре одновременно цементит и графит, обладают технологическими и эксплуатационными преимуществами, свойственными как белым, так и графитизированным чугунам. От белых чугунов половинчатые наследуют высокие износостойкие свойства, от графитизированных - уменьшенную плотность, антифрикционность и лучшую обрабатываемость. Конечная структура половинчатых чугунов, с точки зрения авторов классических работ [1; 2], определяется соотношением термодинамических и термокинетических параметров кристаллизующихся чугунов.

Структуры, возникающие в половинчатых чугунах, классифицируют как сочетание индивидуальных двойных эвтектик или одновременно кристаллизующуюся тройную эвтектику, состоящую из карбидов, графита и аустенита [3].

Тем не менее при изучении структуры половинчатых чугунов возникают следующие вопросы. Что общего и какие различия наблюдаются в механизмах формирования неодинаковых по структуре эвтектик? Как объяснить особенности строения и термодинамическое сочетание графита и цементита при одновременной кристаллизации двух эвтектик?

Ответы на данные вопросы могут быть получены на основе последних исследований в области теории формирования эвтектических сплавов, изложенной в работах В.М. Залкина [4; 5]. Однако подход к изучению механизмов одновременной кристаллизации стабильной и метастабильной эвтектик в половинчатых чугунах должен оставаться классическим, опирающимся на анализ термодинамических и термокинетических параметров процессов структурообразования [6].

Целями исследования являлись изучение особенностей строения половинчатых чугунов; проведение термодинамического анализа механизма структурообразования таких чугунов; разработка модели, адекватно описывающей процессы, происходящие при кристаллизации чугуна.

Чугун для исследования выплавляли в индукционной тигельной печи с кислой футеровкой. Плавка осуществлялась в соответствии с технологическим процессом получения полусинтетических чугунов. В качестве исходных шихтовых материалов использовали передельный чугун П2 (ГОСТ 805-95), стальной лом 1А (ГОСТ 2787-75) в виде отходов прокатного производства, для науглероживания применяли измельчённый графит по ТУ 48.20.54-84. Чугун легировали гранулированным никелем Н3 (ГОСТ 849-97) и ферромолибденом ФМо60 (ГОСТ 4759-91).

Модифицирование осуществляли в 25-килограммовом ковше лигатурой ФСМг-7 (ТУ 14-5-134-86), которую засыпали на дно ковша. Содержание лигатуры составляло 5 % от емкости ковша. Для обеспечения постепенного растворения и уменьшения пироэффекта при модифицировании лигатура нагружалась стальной высечкой. Температура расплава в печи перед модифицированием 1380 оС.

Состав чугуна: 3,21 % С; 3,23 % Si; 0,45 % Mn; 1,55 % Mo; 2,7 % Ni; 0,06 % P; 0,01 % S; 0,055 % Мg.

Расплав после модифицирования заливали в сырые песчано-глинистые формы и получали цилиндрические пробы 16 150 мм, из которых изготовляли образцы для металлографических исследований.

При выборе состава чугуна и условий кристаллизации исходили из основной цели исследования - получения половинчатой структуры чугуна.

Элементами, обеспечивающими графитизацию в исследуемом чугуне, являются С, Si и Ni, образованию карбидов способствуют Mo, Mn, Mg. Содержание элементов, содействующих карбидообразованию при кристаллизации, сравнительно мало, поэтому получение карбидной составляющей обеспечивается термокинетическими условиями, к которым, в частности, относятся переохлаждение, возникающее при сфероидизирующем модифицировании, относительно низкая температура заливки расплава и теплофизическое состояние литейных форм.

Суммарная концентрация углерода, кремния и фосфора обеспечивает эвтектический состав чугуна, что позволяет избежать появления в структуре первичных фаз и рассматривать процесс кристаллизации с точки зрения образования только эвтектических структур.

Никель и молибден в заданных концентрациях способствуют получению самозакаливающихся структур из литого состояния, что позволяет исключить влияние эвтектоидного превращения при микроструктурном исследовании распределения фаз в половинчатых чугунах.

Микроструктуру чугуна изучали с помощью аналитического комплекса на базе инвертированного металлографического микроскопа Leica DM IRM.

Результаты исследования. Типичная микроструктура чугуна представлена на рис. 1. Половинчатый чугун содержит ледебуритный метастабильный цементит, и относится к чугунам с шаровидным графитом.

Графитовые включения в чугуне распределены неравномерно, они рассредоточены по локальным областям, в которых представлены отдельными включениями или агрегатами, состоящими из нескольких включений (рис. 1а). Преобладающая форма графитовых включений - сферическая. Размеры включений колеблются от 100 до 10 мкм.

Мелкие графитовые включения компактной формы располагаются на границе между аустенитом и цементитом, а также непосредственно в цементите. В местах, граничащих с цементитом, графитовые включения не имеют аустенитной оболочки (рис. 1б). Аналогичное строение имеют включения, находящиеся в цементите, вокруг которых также отсутствуют аустенитные оболочки (рис. 1в).

В структурных областях вокруг крупных графитовых включений аустенит трансформирован в мелкозернистый мартенсит (рис. 1г), что указывает на пониженное содержание в них углерода. Уменьшение содержания углерода в околографитовых областях, по-видимому, связано с ростом графитовых включений в процессе кристаллизации и диффузией углерода в твердом состоянии при выделении вторичного графита.

Ледебуритная эвтектика имеет четко выраженное дендритное строение (рис. 1а). Дендритные ветви первого и второго порядков представлены аустенитом, а цементит располагается в междуветвиях, что указывает на ведущую роль аустенита при кристаллизации этой эвтектики. Аустенит в ледебуритной эвтектике трансформирован в крупноигольчатый мартенсит с сохранением большого количества метастабильного остаточного аустенита (рис. 1б, в). Такая устойчивость объясняется повышенным содержанием в нем углерода и никеля.

Доказательством данного утверждения является выделение в твердом состоянии из этого аустенита вторичного цементита, представленного пластинчатыми колониями (рис. 1г). В тех областях структуры, где наблюдается выделение вторичного цементита, строение мартенсита - мелкоигольчатое.

Области выделения вторичного цементита распределены неравномерно, что указывает на ликвационную неоднородность состава ледебуритного аустенита чугуна.

Рис. 1. Микроструктура изучаемых образцов из половинчатого чугуна: а - распределение графитовых включений и ледебурита (травление 4 %-м спиртовым раствором азотной кислоты), 50; б - графитовые включения на границе аустенит - цементит (травление 4 %-м спиртовым раствором пикриновой кислоты), 1000; в - графитовые включения внутри ледебуритного цементита (травление 4 %-м спиртовым раствором пикриновой кислоты), 1000; г - вторичный цементит (травление 4 %-м спиртовым раствором пикриновой кислоты), 1000

Обсуждение результатов. При анализе микроструктуры полученного половинчатого чугуна обращает на себя внимание аномальное распределение высокоуглеродистых фаз, при котором часто графитовые включения граничат с цементитом или располагаются непосредственно в нем. Объяснение данного факта невозможно с позиций классической диффузионной теории эвтектической кристаллизации, в соответствии с которой эвтектика формируется за счет совместного роста механической смеси фаз при диффузионном перераспределении компонентов сплава, происходящем на границе между растущей эвтектической колонией и расплавом. Одновременную кристаллизацию графита и цементита как эвтектической композиции можно объяснить только с точки зрения кластерной теории, которая в последнее время находит все большее подтверждение [7]. В соответствии с этой теорий в расплаве при температуре выше линии ликвидуса присутствуют флуктуирующие кластеры, структура которых отвечает фазам, возникающим в процессе кристаллизации.

Для объяснения возможности образования таких кластеров в расплаве чугуна выше линии ликвидуса и в эвтектической точке воспользуемся энергетической схемой состояния системы Fe-C (рис. 2а). В соответствии с этой схемой для эвтектического расплава состава Сэ, находящегося при температуре Т1, в условиях переохлаждения, которое может быть обусловлено сфероидизирующим модифицированием, существует вероятность возникновения такого состояния, при котором все три фазы находятся в равновесии с расплавом. Такую стабильность фаз можно охарактеризовать как термокинетическую устойчивость, потому что она возможна только в условиях значительного переохлаждения. При этом первоначальные кластеры аустенита образуются в расплаве в точке L1, цементита - L2, а графита - L3. Термодинамический анализ позволяет объяснить энергетический приоритет (Fc Fм) эвтектики, состоящей из первичных кластеров графита и аустенита, перед ледебуритной эвтектикой.

Рис. 2. Энергетическая схема структурообразования в кристаллизующихся половинчатых чугунах: а - в момент выделения кластеров из расплава при переохлаждении; б - в момент одновременного выделения графита и цементита по перитектической реакции при условии значительного переохлаждения

Анализ представленной энергетической схемы позволяет объяснить тот факт, что в областях около графитовых включений аустенит содержит меньше углерода. Концентрация углерода в аустените определяется точкой на кривой от касательной к кривым свободной энергии, соответствующим расплаву и твердому раствору. На начальном этапе переохлаждения концентрация углерода в аустените мала, так как точка, соответствующая равновесному состоянию аустенита и жидкого сплава, находится на восходящей кривой. В дальнейшем по мере снижения кривой свободной энергии аустенита происходит постепенное увеличение содержания в нем углерода. Это приводит к возникновению градиента концентрации углерода и способствует развитию процесса диффузии его к графитовым включениям через оболочку аустенита. Таким образом, пониженное содержание углерода в околографитовых областях обусловлено неравновесной кристаллизацией.

Исходя из предварительного анализа строения половинчатого чугуна, процесс возникновения эвтектик можно представить в виде двух независимых стадий.

На первой стадии протекает процесс формирования стабильной эвтектики. После сфероидизирующего модифицирования в расплаве первоначально возникают зародыши графита, которые образуются за счет агрегации углеродистых кластеров, присутствующих в расплаве. Процесс зародышеобразования графитовых включений ограничивается концентрацией углерода в чугуне и условиями переохлаждения. Графит обладает высокой теплоемкостью, что приводит к локальному переохлаждению расплава и формированию вокруг графитового зародыша аустенитной оболочки, образующейся из соответствующих кластеров. Последующий рост графитово-аустенитной эвтектики происходит за счет диффузии углерода через оболочку аустенита, которая, в свою очередь, растет по диффузионному и/или кластерному механизму.

В половинчатых чугунах при образовании графитово-аустенитной эвтектической ячейки возможно аномальное отклонение в процессе образования сплошной аустенитной оболочки, при котором часть сектора оболочки заменяется цементитным кластером. Последующий рост приводит к возникновению структуры, в которой цементитный конус как бы врастает в сфероид графита (рис. 3). Такие аномальные включения в исследуемом чугуне встречаются сравнительно часто (например, графитовый зародыш, представленный на рис. 1в).

Рис. 3. Схема внедрения цементита в графитовые включения (а) и реально наблюдаемое внедрение цементитного конуса в графитовое включение (б)

На второй стадии происходит процесс формирования ледебурита с частичным выделением кластеров графита. По мере уменьшения температуры при переохлаждении расплава в процессе кристаллизации в сырой форме чугун достигает метастабильной эвтектической горизонтали, что приводит к переходу от формирования стабильной эвтектики к формированию метастабильной эвтектики.

Одновременная кристаллизация из жидкого расплава цементита и графита возможна в условиях сравнительно большого переохлаждения. Энергетические условия совместного образования графита и цементита объясняются на рис. 2б. При значительном переохлаждении, обусловливающем выделение дендритов аустенита состава 1, который фактически представляет собой первичный аустенит, наблюдается формирование перитектической смеси цементита и графита. Дендритный рост первичного аустенита обусловлен значительным переохлаждением.

Таким образом, в формирующейся ледебуритной эвтектике ведущей фазой является аустенит, представленный дендритом, в процессе роста которого высокоуглеродистый расплав вытесняется на периферию, в промежутки между ветвями дендрита, где образуется цементит. При этом по перитектической реакции в высокоуглеродистом расплаве выделяются ледебуритный цементит и кластеры графита. Графитовые кластеры обладают малой плотностью и поэтому вытесняются на границу аустенит - цементит, а некоторые из них поглощаются ледебуритным цементитом в процессе его роста.

Процесс образования цементитных конусов, внедренных в графитовые включения, происходит, по всей видимости, по аналогичному механизму. Однако в данном случае выделению цементита предшествует формирование графитовых включений.

Предложенный механизм позволяет охарактеризовать наблюдаемую структуру изучаемых половинчатых чугунов и объяснить особенности ее строения.

Список литературы

кристаллизующийся чугун эвтектика аустенит

1. Гиршович Н.Г. Кристаллизация и свойства чугуна в отливках / Н.Г. Гиршович. - М.;Л.: Машиностроение, 1966. - 562 с.

2. Бунин К.П. Основы металлографии чугуна /К.П. Бунин, Я.Н. Малиночка, Ю.Н. Таран. - М.: Металлургия, 1969. - 416 с.

3. Сильман Г.И. Половинчатые чугуны. Классификация, структура, свойства, применение / Г.И. Сильман // Заготовительные производства в машиностроении. - 2005. - № 2. - С. 10 - 13.

4. Залкин В.М. Природа эвтектических сплавов и эффект контактного плавления / В.М. Залкин. - М.: Металлургия, 1987. - 152 с.

5. Залкин В.М. Некоторые положения теории эвтектических сплавов и освещение теории в учебной литературе по металловедению / В.М. Залкин // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2009. - № 4. - С. 3 - 10.

6. Сильман Г.И. Термодинамика и термокинетика структурообразования в чугунах и сталях / Г.И. Сильман. - М.: Машиностроение, 2005. - 302 с.

7. Макаренко К.В. Моделирование процесса кристаллизации чугуна с шаровидным графитом / К.В. Макаренко // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2009. - № 11. - С. 16 - 20.

Размещено на Allbest.ru