Морфологія та структура мідистих включень у легованих чавунах

Размещено на http://www.allbest.ru

Луцький національний технічний університет

Морфологія та структура мідистих включень у легованих чавунах

В.В. Соболь - ст. гр. ПМм-11

В роботі показано, що при легуванні сірих чавунів міддю можна суттєво змінити флуктуаційну ситуацію в рідких розчинах заліза. Результатом є отримання литих композитів мікрогетерогенного стану з присутністю в структурі виливків додаткової трибофази на основі міді. Вивчено природу, морфологію та структуру включень на основі міді.

Постановка проблеми. В сучасному матеріалознавстві особливу увагу спеціалісти віддають розробці принципово нових підходів до формування сплавів з широкою гаммою функціональних властивостей. В даний час в основу синтезу нових сплавів покладені теоретичні положення, що витікають з прогресуючої науки - синергетики [1]. При легуванні чавунів міддю, в результаті процесів самоорганізації відбувається зміна флуктуаційної ситуації розплавів чавунів, що призводить до дисипативних перетворень. Наслідком таких перетворень є поява в структурі чавунів мідистої фази, під час кристалізації виливків. Наявність таких включень, в залежності від їх частоти та форми виділення, чинить вплив на основні характеристики сплавів, а тому є актуальним вивчення її морфології та структури.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. Мідь в простих та легованих чавунах покращує їх антифрикційні властивості [2, 3]. Підвищення зносостійкості графітизованих чавунів пов'язують переважно з формуванням в умовах тертя проміжних шарів з вмістом міді, що знижує ймовірність виникнення локальних ділянок схоплення контактних поверхонь та зменшенням коефіцієнту тертя. Такі ефекти проявляються вже при невеликих кількостях міді до 1 % у пробах [4]. При значному насиченні розплаву міддю (>5 %) первинні кристаліти графіту швидко захоплюються рідкою міддю з блокуванням їх від основного розплаву. Така картина приводить до відомого в літературі відбілу металевої матриці чавуну [5], але дозволятиме досягнути регулярного розподілення включень міді у виливках.

Мета дослідження. Метою роботи було дослідити структуру та морфологіє, а також характер розподілення включень на основі міді в сірих чавунах, на основі чого дати характеристику основним типам включень та оцінити можливий вплив на властивості сплавів. мідистий включення сплав

Результати дослідження. Для досліджень використовували високоміцні чавуни з кулястим графітом складу: (мас.%): С-2,70...3,20; Si-2,20...3,20; Mn- 0,20...0,4; P-0,10...0,50, S-0,01...0,02; Cr-0,05...0,10. Легування міддю виконували до та після модифікування розплаву у кількостях, що забезпечують її вміст у твердому чавуні в межах 6.. .10 % за масою.

Структурний стан виливків даних чавунів характеризується яскраво вираженою мікрогетерогенною структурою, частковою складовою якої являється присутність мідистої є-фази, у вигляді вільно-структурних включень глобул (крапель). Крім того, особливістю морфології розподілу є- фази, в структурі виливків, являється формування її у вигляді оболонки навколо графітних кристалітів. В роботі проводили дослідження природи глобул є-фази, кількість яких в структурі чавунів коливається від 1,18 до 2,2 % об. в залежності від вмісту міді в сплаві (4...15 % мас.). Наявність такої кількості глобул в мікрогетерогенній структурі може суттєво впливати на формування фізико-механічних властивостей. Природа цих включень являє особливий інтерес.

Встановлено, що основною домішкою включень мідистої фази є залізо, вміст якого складає 1,6...2,0 % мас. Вміст таких елементів як кремній, марганець і фосфор, за концентрацією кожного з них, не перевищує сотих процента, а сірка відсутня повністю.

Наявність заліза дозволяє припустити, що походження глобул при кристалізації пов'язане з частковим протіканням перитектичної реакції. У включеннях спостерігається наявність залишкових кристалітів аустеніту, які не повністю прореагували в процесі перитектичної реакції (рис.1, а).

Металографічними дослідженнями показано, що в окремих включеннях міді помічено явище проростання дендритів аустеніту з зовнішньої поверхні в глибину глобул (рис.1, б). Розвиток такого процесу може мати місце за рахунок зменшення концентрації заліза в глобулах. Дійсно в є-фазі, яка утворюється як результат перитектичної реакції, кількість заліза складає 4,5 % мас., тобто практично відповідає точці перитектики в системі Fe-Cu.

Рисунок 1 - Дендрити аустеніту в середині (а) та на краю (б) глобул є-фази. х 1000.

В дослідженнях встановлено ефект поглинання глобулами є-фази неметалевих включень позитивно впливає на ступінь забруднення шкідливими домішками основної матриці [4]. Таким чином, присутність в розплаві глобул є-фази відіграє роль рафінуючої складової в виливках з ЛКМ. Далі вивчали тонку структуру глобул є-фази у виливках в литому і термообробленому стані. Аналіз, отриманий з використанням електронного мікроскопа ЭМ125К, виявив зміну дислокаційної ситуації глобул є-фази, яка має місце при термічній обробці виливків. Структура включення в литому стані являє собою насичену дислокаційну картину без слідів полізернистої будови (рис. 2, а). При нормалізації від температури 880 ±5 °С з отриманням перлітної структури металічної матриці якісно змінюється дислокаційна ситуація в глобулах, спостерігається поява петлі Франка-Ріда (рис. 2, б). Після відпалу в структурі виливків чавунів феритного класу в є-фазі, при глибокому травленні, проявляються субграниці, які ідентифікують кристалографічну площину (110) кубічних кристалів (рис. 2, в).

Рисунок 2 - Дислокаційна структура глобул є-фази: а - після лиття (х4000); б - після нормалізації (х 12000); в - після графітизуючого відпалу (х24000).

Аналіз результатів виконаного фрагменту досліджень тонкої структури дає можливість констатувати суттєву різницю субструктури в первинних глобулах є-фази (литий стан) по відношенню до такої ж структури, отриманої після термообробки. Одержані дані підтверджують відоме положення [3], що первинні утворення мають стійку текстуровану будову блоків, що відображає стрічкову структуру розподілу вакансій. Високотемпературна термообр обка сприяє протіканню процесів рекристалізації, яка приводить до розорієнтування блокової структури. Результатом такого процесу є якісна зміна тонкої структури глобул є-фази.

В литій структурі сплавів включення на основі міді здатні формувати особливий тип структурної складової, яка являє собою складну механічну суміш компактної форми. Значним досягненням вдається отримана регулярність розподілення кулястих включень на основі міді. Їх розміри коливаються біля 200 мкм, що є великим значенням для Fe-C-X систем та дозволяє віднести отримані сплави до класу литих композитних матеріалів.

Таким чином, до особливостей природи вільно-структурної на основі міді, у виливках з ЛКМ, можна віднести наступні: походження є-фази у вигляді глобул пов'язане з частковим протіканням перитектичної реакції; в глобулах є-фази розміщуються різні за природою неметалічні включення, адсорбція яких сприяє очищенню металічної матриці і тим самим покращує фізико-механічні властивості виливків; тонка структура є-фази в глобулах являє собою складну дислокаційну ситуацію, яку можна регулювати шляхом термічної обробки.

Висновки

В отриманих сплавах з макро- та мікрогетерогенною структурою формується стан, який відповідає в деякій мірі інтерпретованому структурному правилу Шарпі-Бочвара. Тобто, маємо трибофази (Гр+є) в залізовуглецевій металічній матриці, причому співвідношення цих фаз відповідає, при синкретичній їх побудові, одному з законів симетрії: в даному випадку субсиметрії 1:3. Це дає можливість отримати структуру, яка здатна бути стійкою при зовнішньому механічному навантаженні і, в їх числі, при терті-ковзанні.

Перелік джерел посилання

Хакен Г. Синергетика. М,.: Мир; 1980. - 383 с.

Бобро А.Ю., Бобро Ю.Г. Сьогодення і майбутне чавунів як ливарних композитних матеріалів// Ідея.- № 4-5.- 1996/1997.- С.263-277.

Гусачук, Д.А. Структура та властивості високомідистих чавунів [Текст] / Д.А. Гусачук, І.О. Парфентьєва, М.В. Дмитріюк // Системи розроблення та постановления продукції на виробництво. Індустрія 4.0. Сучасний напрямок автоматизації та обміну даними у виробничих технологіях: матеріали ІІ Міжнародної науково-практичної конференції / Ред.кол.: О.Г. Гусак, К.О. Дядюра. - Суми: СумДУ, 2017. - С. 123-124.

Silman, G.I., Kamynin, V.V. & Goncharov, V.V. On the mechanisms of copper effect on structure formation in cast iron. Met Sci Heat Treat 49, 387-393 (2007). https://doi.org/10.1007/s11041-007-0072-z.

Dmytriyuk, M., Husachuk, D., Parfentieva, I., Feshchuk, Y., 2020. High- Copper Cast Irons for the Products of Tribotechnical Applied. KEM 864, 292-302. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/kem.864.292

Размещено на Allbest.ru