ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

Раздел: Производство

Формирование литой структуры чугунной отливки определяется процессами первичной кристаллизации. В зависимости от степени эвтектичности сплава его затвердевание начинается с образования избыточной фазы — аустенита в доэьтектических чугунах или высокоуглеродистой фазы — в заэвтектических. Наиболее важиьш и значительным, но одновременно и наименее исследованным является эвтектическое превращение. При анализе процессов необходим всесторонний учет как термодинамических, так и кинетических факторов.

Рассмотрим образование структуры чугуна на примере кристаллизации доэвтектического железоуглеродистого сплава. Его затвердевание начинается с выделения первичного аустенита переменного состава. Аустенит кристаллизуется в виде дендритов, количество и размеры которых определяются строением расплава и условиями его охлаждения. Первичный аустенит выделяется почти во всем объеме медленно кристаллизующейся отливки ( 67). При увеличении скорости охлаждения расплава растет объемная и линейная скорость кристаллизации, в результате получаются более разветвленные дендриты. Когда скорость кристаллизации ниже скорости теплоотвода, дендриты аустенита растут направленно ( 68).

При эвтектическом превращении происходит распад жидкости на аустенит и высокоуглеродистую фазу. Последняя определяет конечную структуру чугуна. Он будет белым, если высокоуглеродистой фазой является цементит, или серым, если высокоуглеродистой фазой является графит. При смешанной кристаллизации получается половинчатый чугун. Характер эвтектической кристаллизации существенно влияет на форму, размеры и распределение графитовых включений в сером чугуне.

В случае относительно медленного охлаждения при эвтектическом превращении происходит образование аустенита и графита; последний является ведущей фазой. Аустенит эвтектики частично выделяется на кристаллах первичного аустенита и частично в непосредственном контакте с графитом, образуя аусте- нитно-графитовые колонии, чаще всего имеющие сферическую форму.

Как известно, кристаллическая структура графита характеризуется заметной анизотропией. Атомы углерода в слое (базисной плоскости) расположены друг от друга на расстоянии 0,1421 нм, в то время как в перпендикулярном направлении расстояние между ближайшими атомами составляет 0,335 нм. Энергия связи углеродных атомов в плоскости базиса почти в 12 раз превышает энергию связи между атомами соседних базисных слоев (призменной грани). Рост графитового включения происходит диффузионным переносом атомов углерода. Образовавшийся в жидкости эвтектического состава графит разрастается не равномерно, а избирательно, преимущественно в направлении, параллельном базисной плоскости, где атомы удерживаются прочнее. С другой стороны, изменяются и условия доставки атомов углерода для достройки граней. Выделяющийся эвтектический аустенит в отдельных местах устраняет контакт графита с жидкой фазой, затрудняет доставку углерода к базисным граням. Фрактограмма на  69 иллюстрирует ступенчатый рост графитового лепестка из жидкой фазы.

С увеличением скорости охлаждения количество аустенитно- графитовых колоний увеличивается, размер их уменьшается, и графит становится все более мелким. На размеры и распределение графита значительно влияет степень эвтектичности чугуна, т. е. степень приближения сплава по составу к эвтектическому. Степень эвтектичности определяется прежде всего содержанием углерода и количеством элементов (в первую очередь, кремния), уменьшающих концентрацию углерода в эвтектике. Чем меньше степень эвтектичности чугуна, тем большая часть сплава закристаллизо- вывается в виде первичного аустенита и меньше жидкого расплава остается к моменту начала эвтектического превращения. Это способствует уменьшению количества графита и размельчению его включений.

На условия первичной кристаллизации также влияет присутствие в расплаве неметаллических включений, микропрпмесей и т. д. Например, Mg, Се и некоторые другие элементы в количестве нескольких сотых или десятых процента существенно изменяют характер кристаллизации сплава, вызывая последовательное изменение формы графита от пластинчатой до шаровидной.

Существует ряд гипотез для объяснения механизма формообразования графита. Н. Г. Гиршович объединил основные из них в три группы:

гипотезы, устанавливающие определяющую роль природы, строения и формы зародышевой фазы;

гипотезы, связывающие форму графитовых образований с механическим воздействием на растущий кристаллит;

гипотезы, в которых приоритет имеют факторы, выравнивающие скорость роста отдельных граней графитовых включений.

Достаточно широкое распространение получили теории К. П. Бунина, Ю Н Тарана, Я Н. Малиночки, согласно которым эвтектический аустенит, образуя оторочку вокруг растущего графита, выравнивает скорость подвода атомов углерода из жидкой фазы и отвод атомов железа во всех направлениях, благодаря чему графит приобретает шаровидную форму

Процесс формообразования графита был исследован в Московском институте стали и сплавов А М. Михайловым, Н С. Беспаловым, В И Воронцовым, Мусой Туни Хассаном. Использовав метод скоростного отделения жидкой фазы от закристаллизовавшегося сплава, они подтвердили непрерывность перехода от пластинчатой к шаровидной форме, что позволило по-иному представить механизм этого процесса (рис 70) Открытая поверхность кристаллизации включений дендритов графита позволяет заключить, что они растут в контакте с жидкой фазой не только в области кромок.

На лепестках (ветвях) дендрита графита наблюдаются ступени роста гексагональной формы (см. рис 69). Утолщение лепестка происходит путем последовательного появления и разрастания на базисной плоскости этих ступеней Переход от пластинчатой ро- зеточной формы включения к компактной происходит в результате многократного ветвления лепестков, т. е появления, роста и дальнейшего образования ветвей высших порядков в дендрите графита.

Среди промежуточных форм графита различной степени компактности наибольший интерес представляет вермикулярный графит, который имеет вид коро!ких и толстых псевдопластин с притуплёнными концами. Относительно большая округлость включений вермикулярного графита по сравнению с пластинчатым обусловливает повышенные механические свойства чугуна. Строение вермикулярного графита наглядно иллюстрируется фрактограммой ( 71), из которой следует, что единичные разобщенные пластины, видимые в плоскости шлифа, на самом деле представляют собой отдельные ветви сложного образования.

Повышение скорости охлаждения сплава и связанное с этим увеличение переохлаждения могут 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 кристаллизующаяся фаза обогащается железом. В этом случае наряду с аустенитом кристаллизуются и карбиды. Такое торможение кристаллизации графита может быть полным, и выделившаяся высокоуглеродистая фаза будет целиком состоять из карбидов, что приведет к образованию белого чугуна. При промежуточных скоростях охлаждения вместе с графитом кристаллизуются карбиды, что соответствует получению половинчатых чугунов.

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

Эвтектоидное превращение (распад аустенита) связано с перестройкой гранецентрированной решетки (v-Fe) в кубическую объемно-центрированную (a-Fe) и сопровождается резким изменением растворимости углерода. В результате превращения образуются структуры, состоящие из феррита и высокоуглеродистой фазы.

 При очень малых скоростях охлаждения происходит полное диффузионное отделение углерода, выделяющегося в виде графита, преимущественно на его эвтектических включениях. В этом случае окончательная структура чугуна будет состоять из феррита и графита. При скорости охлаждения больше определенного критического значения высокоуглеродистой фазой станет цементит и будет образовываться ферритно-цементитная эвтектоидная смесь— перлит. В перлитных серых чугунах не протекает вторая стадия графитизации и, следовательно, количество графита уменьшается,

а матрица упрочняется. Повышение скорости охлаждения способствует получению более дисперсного перлита. При промежуточных скоростях охлаждения отливки в интервале температур эвтектоидного превращения формируется структура, состоящая из графита, перлита и феррита.