Кинетика графитизации чугуна и ее узкое звено

17.10.2019

Кинетике графитизации посвящена обширная литература, так как она имеет большое практическое значение и, кроме того, является методом исследования механизма процесса. Анализ кинетики графитизации может быть сделан как при рассмотрении всего процесса в целом, так и при раздельном рассмотрении скоростей зародышевания (n) и линейного роста (v) включений. Последний метод является более достоверным, особенно при более или менее округлых формах графита, когда подсчет изменения во времени как количества, так и размера (диаметра) включений значительно облегчается.
Кинетика графитизации чугуна и ее узкое звено

Важнейшим вопросом кинетики графитизации является изменение количества зародышей во времени. Часто считают, что зародыши образуются или дорастают только в инкубационном периоде. Такая точка зрения основывается на том, что эвтектические зерна, а значит и соответствующие агрегаты пластинчатого графита или включения шаровидного графита и углерода отжига часто равноразмерны в поле зрения шлифа. Из этого следует, что число зародышей остается постоянным в процессе кристаллизации либо потому, что новые зародыши вовсе не образуются, либо потому, что они через некоторое время после своего образования растворяются, так как дальнейший рост больших колоний или включений графита в определенных условиях энергетически выгодней, чем увеличение размеров малых фаз. И, действительно, весьма тщательные исследования показывают, что при графитизации белого чугуна число зародышей сначала прямолинейно возрастает, потом падает, но в общем, как показали С. Драпал и другие, остается постоянным (рис. 27), хотя в некоторых случаях авторы все же находят, что размеры включений графита значительно разнятся:

При этом скорость образования новых зародышей зависит, по-видимому, от скорости роста существующих: чем больше последняя, тем меньше вероятность образования новых зародышей. Точно так же очевидно, что чем больше зародышей образуется в инкубационном периоде, тем меньше их возникновение в процессе роста. Все это чрезвычайно усложняет закономерности зародышевания. В общем виде кинетика этого процесса в белом чугуне может быть представлена выражением

где N — число образовавшихся зародышей по истечении времени т после конца инкубационного периода;

KN — коэффициент, зависящий от температуры, состава и структуры чугуна; а — степенной показатель, колеблющийся по разным данным от 0 до 1,35, чаще всего принимаемый равным пулю, 1/2 или 1.

При этом исследования кинетики образования зародышей по сечению отливки указывают на преимущественное расположение их в начале процесса то в центре, то в поверхностных слоях отливок. По всей видимости, это объясняется многообразием влияющих факторов: топографией микродефектов, характером окружающей газовой среды и ее взаимодействием с металлом на поверхности отливки, исходной структурой, сопротивлением окружающей матрицы и т. п.

Еще сложнее анализ кинетики линейного роста графитных включений, которая может быть представлена в виде выражения

Как указывалось, рост графита является результатом ряда элементарных процессов: диссоциации карбидов, растворения, диффузии и кристаллизации углерода на зародышах. При этом происходит увеличение объема металла, причины которого широко дебатировались в советской технической литературе. Однако в настоящее время можно считать установленным, что увеличение объема отливок в процессе графитизации происходит только под влиянием давления, кристаллизующегося углерода. Для подтверждения этой точки зрения достаточно привести хотя бы тот факт, что внутренние размеры отливок при графитизации (рис. 28, б) увеличиваются, а не уменьшаются (рис. 28, а). Очевидно, что отливка раздаётся под каким-то напряжением, как это указано стрелками на рис. 28, б. Если бы увеличение размеров отливки происходило под влиянием «естественной самодиффузии» атомов железа для создания равновесной концентрации вакансий, нарушаемой оккупацией их атомами углерода, то внешние размеры увеличивались бы, а внутренние — уменьшались (стрелки на рис. 28, а), что противоречит повседневной практике.

Безусловными доказательствами существования давления углерода являются также разрывы наружной корки отливок из отбеленного чугуна под влиянием графитизации центральной части отливки, выдавливание жидкой эвтектики серого чугуна в усадочную раковину при кристаллизации и обнаруженные П.И. Степиным бугорки на шаровидном графите, образующиеся в местах наименьшего сопротивления матрицы.

Однако по поводу механизма деформации и увеличения объема при графитизации могут быть, конечно, разные мнения. Кроме пластической деформации, обусловленной сдвигами или двойникованием и протекающей обычно при напряжениях выше предела текучести, различают вязкое течение или «направленную самодиффузию», обусловленную диффузионными перемещениями и протекающую в области ниже предела текучести. Последний вид деформации, по-видимому, имеет особое развитие при графитизации в области высоких температур и особенно при малых размерах включений графита. Увеличение объема при этом является в определенной мере результатом процесса ползучести под влиянием кристаллизационных напряжений. С этой точки зрения имеет значение процесс самодиффузии атомов железа (диффузии вакансий), которому К.П. Бунин, М.А. Криштал и др. уделяют много внимания. Однако во всех случаях, имеет ли место сдвиговая деформация или «направленная самодиффузия», активным фактором, вызывающим эти процессы, является кристаллизация графита. Кристаллизующийся углерод в том и другом случаях перемещает атомы железа, а вместе с ними, конечно, и атомы других элементов (кремния, марганца); очевидно, поэтому некоторые исследователи в той или иной степени признают роль диффузии железа, кремния и других элементов в процессе графитизации. Этим же определяется значение сопротивления среды.

В самом общем виде схему взаимной связи элементарных процессов, определяющих кинетику изотермического роста графита, правильнее всего представить следующим образом:

Согласно этой схеме совместно действуют таким образом связанные друг с другом три элементарных процесса, и, как было уже указано в этом случае, кинетика сложного процесса определяется всеми звеньями, которые характеризуются соизмеримыми скоростями. И действительно, упрощая вопрос, можно показать, что если скорости этих процессов соизмеримы, то перепад концентрации в аустените будет меньше максимально возможного (АС < АСмакс или AC

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2019
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна