Кристаллизация и структурообразование чугуна

Категория:
Литейное производство


Кристаллизация и структурообразование чугуна

Свойства чугуна определяются его структурой. Поэтому большое значение имеет знание процессов, связанных со структурообразованием, особенно процесса графитизации, определяющего не только количество, форму и распределение графита, но и строение металлической основы.

Рассмотрим структурообразование чугуна на примере кристаллизации доэвтектического железоуглеродистого сплава. Затвердевание такого сплава начинается с выделения первичного аустенита переменного состава. Аустенит кристаллизуется в виде дендритов, количество и размеры которых определяются числом содержащихся в сплаве зародышей и величиной переохлаждения. Последняя при прочих равных условиях зависит от скорости охлаждения. Это приводит к тому, что при увеличении скорости охлаждения расплава растет объемная и линейная скорость кристаллизации, в результате получаются более разветвленные дендриты. Увеличение переохлаждения может вызвать спонтанное образование дополнительных зародышей и размельчение дендритов.

Наиболее важным этапом кристаллизации чугуна является эвтектическое превращение, при котором происходит распад жидкости на аустенит и высокоуглеродистую фазу. Последняя определяет конечную структуру чугуна. Он будет белым, если высокоуглеродистой фазой является карбид (метастабильная система) или серым, если высокоуглеродистой фазой является графит (стабильная система). При смешанной кристаллизации получается половинчатый чугун. Характер эвтектической кристаллизации очень влияет на форму, величину и расположение графитовых включений в сером чугуне.

В случае относительно медленного охлаждения при эвтектическом превращении выделяется аустенит и графит. Аустенит эвтектики частично выделяется на кристаллах первичного аустенита и частично в непосредственном контакте с графитом, образуя аустенитно-графитовые колонии, чаще всего имеющие сферическую форму.

С увеличением скорости охлаждения количество аустенито-гоафитовых колоний повышается, размер их уменьшается и графит становится все более мелким.

Чем меньше степень эвтектичности чугуна, тем большая часть сплава успевает закристаллизоваться в виде первичного аустенита и меньше жидкого расплава остается к моменту начала эвтек-тичного превращения. Это способствует уменьшению количества графита, размельчению его включений и постепенному переходу от произвольного расположения к ориентированному вдоль осей дендритов первичного аустенита.

На условия первичной кристаллизации также влияет присутствие в расплаве неметаллических включений, могущих быть зародышами кристаллов и некоторых элементов, находящихся в весьма малых количествах. Например, Mg, Се и некоторые другие элементы, даже если чугун содержит несколько сотых процента этих элементов, вызывают такие изменения условий кристаллизации, при которых графит растет в виде компактных включений шаровидной (глобулярной) формы.

Существует ряд гипотез для объяснения механизма формообразования графита.

Другие исследователи объясняют образование шаровидного графита тем, что глобуляризующие элементы растворяются в графите в процессе его кристаллизации, тормозят его рост в направлении Б. Эвтектический аустенит начинает кристаллизоваться по всей наружной поверхности включения, образуя оторочку вокруг растущего графита. Переход атомов углерода из жидкого расплава происходит диффузией через эту оторочку со всех сторон с одинаковой скоростью, благодаря чему графит приобретает шаровидную форму.

Повышение скорости охлаждения сплава и связанное с этим увеличение переохлаждения может качественно изменить характер продуктов эвтектического превращения.

Продолжительность пребывания сплава в жидком состоянии в период эвтектического превращения, вследствие высокой скорости охлаждения, настолько сокращается, что выделение углерода из жидкой фазы и раздельная кристаллизация графита и аустенита происходят не в полной мере, в результате кристаллизующая фаза обогащается железом. В этом случае наряду с аустенитом кристаллизуются карбиды. Такое торможение кристаллизации графита может быть полным и выделившаяся высокоуглеродистая фаза будет целиком состоять из карбидов, что соответствует образованию структуры белого чугуна.

При промежуточных скоростях охлаждения торможение кристаллизации графита может быть частичным, тогда вместе с графитом кристаллизуются карбиды, что соответствует получению чугу-нов с половинчатой структурой.

Структура чугуна окончательно формируется при эвтектоид-ном превращении. При кристаллизации серого чугуна к моменту эвтектоидного превращения основными структурными составляющими являются аустенит и графит, образовавшийся при эвтектическом превращении и выделившийся из аустенита вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените при охлаждении в интервале температур от эвтектического до эвтектоидного превращения.

При эвтектоидном превращении происходит переупаковка атомов железа из кубической гранецентрированной решетки (y-Fe) в кубическую объемноцентрированную (a-Fe) и диффузионное отделение углерода от железа. В результате превращения образуются структуры, состоящие из феррита и высокоуглеродистой фазы.

При очень малых скоростях охлаждения происходит полное диффузионное отделение углерода, кристаллизующегося в виде графита. В этом случае окончательной структурой чугуна будет феррит + графит. При скорости охлаждения больше критических величин, зависящих от состава чугуна, высокоуглеродистои фазой является цементит, который образует ферритно-цементит-ную эвтектоидную смесь — перлит.


Реклама:



Читать далее:



Статьи по теме:


Главная → Справочник → Статьи → Блог → Форум