Кристаллизация первичных фаз чугуна

17.10.2019

В зависимости от состава и характера кристаллизации чугуна первичными фазами его могут быть аустенит в случае доэвтектического состава и цементит или графит (пластинчатый или шаровидный) — в случае заэвтектического. Первичные фазы кристаллизуются непосредственно из пересыщенных жидких растворов, следовательно, в условиях сравнительно большой скорости конвективной диффузии и малого сопротивления среды, что создает благоприятные условия для их свободного развития (рис. 40).

Первичный аустенит лучше всего выявляется в белом чугуне, где он ясно отделим от эвтектики и эвтектического аустенита (рис. 40, а), но его можно также обнаружить в сером и высокопрочном чугуне. В процессе кристаллизации жидкий расплав на фронте кристаллизации обогащается углеродом, одновременно происходит диффузионный перенос углерода как в жидкости, так и в направлении кристаллов аустенита. Вследствие этого средняя концентрация углерода постепенно повышается в процессе кристаллизации. Однако в реальных условиях выравнивание состава происходит не до конца. Благодаря этому на фронте кристаллизации имеет место не только термическое, но и концентрационное переохлаждение и кристаллизация соответственно протекает при более низких температурах. По этой же причине в аустените развивается «прямая» внутрикристаллическая (дендритная) ликвация углерода и уменьшается несколько количество первичной фазы по сравнению с равновесной системой. Однако вследствие большой скорости диффузии углерода эти процессы ограничены.

Аустенит кристаллизуется обычно в форме дендритов, характер которых сохраняется, несмотря на последующие процессы перекристаллизации. Каждый дендрит является монокристаллом, растет из своего центра, поэтому количество, а следовательно, и размеры дендритов определяются числом зародышей, которое, в свою очередь, зависит от жидкого состояния металла и величины переохлаждения. Последняя при прочих равных условиях обусловливается скоростью охлаждения: чем больше скорость теплоотвода, тем больше объемная, а при данном числе зародышей и линейная скорость кристаллизации, и тем разветвленнее получаются дендриты. Если этим путем процесс кристаллизации не успевает следовать за скоростью теплоотвода, то температура понижается, переохлаждение увеличивается и число зародышей возрастает, что ведет к размельчению дендритов. При этом далеко не все дендриты имеют одинаковые условия для роста. В наиболее благоприятных условиях в этом отношении находятся дендриты, главные оси которых располагаются вдоль теплового потока. Благодаря этому происходит частичное выклинивание одних дендритов другими, в особенности в наружных зонах отливок. В центральных частях отливок дендриты имеют более равномерную ориентацию. Количество и длина дендритов первичного аустенита возрастает с уменьшением содержания углерода и с увеличением переохлаждения, что ведет к созданию более прочного остова, в котором кристаллизуется эвтектика.

Характер выделения первичного аустенита по сечению отливки определяется типом кристаллизации. В случае песчаных форм кристаллизация чугуна протекает объемно, поэтому выделение аустенита и эвтектическое превращение происходят преимущественно последовательно. Как видно из данных Данфи и Пеллини (рис. 41), выделение первичного аустенита в этом случае начинается практически одновременно по всему сечению и только после его завершения происходит кристаллизация эвтектики. В металлических формах кристаллизация носит более последовательный характер, однако и в этом случае волны обоих процессов накладываются друг на друга, так что эвтектическое превращение начинается в наружных слоях отливки до того, как кристаллизация первичного аустенита закончилась в центре. Характер кристаллизации зависит и от ряда других факторов, в частности, модифицирование, увеличивая число зародышей, способствует объемной кристаллизации.

При кристаллизации заэвтектического чугуна первичной фазой может быть цементит или графит в зависимости от скорости охлаждения, состава чугуна и других факторов. Выделения первичного цементита (рис. 40, б), так же, как и первичного аустенита, хорошо различимы на фоне эвтектики (ледебурита). В этом случае жидкий расплав на фронте кристаллизации обедняется углеродом вследствие выделения высокоуглеродистой фазы. Это ведет к диффузионному переносу углерода по направлению к поверхности раздела «цементит—жидкость» или, что то же, к диффузии железа в обратном направлении от фронта кристаллизации в глубь жидкости. Вследствие несовершенства диффузии и в этом случае в пограничном слое жидкости образуется градиент концентрации, а следовательно, и определенное концентрационное переохлаждение, что способствует дендритной кристаллизации цементита. И действительно, в зависимости от условий первичный цементит может кристаллизоваться в виде дендритов или пластин. Однако последние по существу также состоят из плоских дендритов, оси которых, разрастаясь, образуют монолитные пластины; ориентация и размеры этих пластин зависят от условий кристаллизации (наличия зародышей, скорости теплоотвода и других факторов).

Выделения первичного графита, как видно из рис. 40, в и г, могут иметь пластинчатую или шаровидную форму. В первом случае они легко отличимы от эвтектического графита, который растет из самостоятельных центров (рис. 40, в), во втором случае разграничить эти образования невозможно (рис. 40, г), так как эвтектический графит кристаллизуется на первичном. Однако некоторое их разделение происходит иногда вследствие действия гравитационных или центробежных сил.

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