Кристаллизация эвтектики чугуна

Эвтектическое превращение является наиболее важным и характерным этаном кристаллизации чугуна. В процессе этого превращения определяется основной тип получаемого чугуна: белый, серый, высокопрочный (с шаровидным графитом) или какой-либо промежуточный, а также характер графита и величина эвтектического зерна. Этому этапу кристаллизации посвящено большое количество работ, из которых особое значение имеют исследования А.А. Бочвара. Особенностью процесса является полифазный характер кристаллизации, т. е. одновременное или почти одновременное выделение из жидкого раствора нескольких, в простейшем случае двух фаз. Для Fe-C сплавов такими фазами является аустенит и одна из высокоуглеродистых фаз — цементит или графит.

Следует отметить, что эвтектическая кристаллизация или эвтектический распад жидкости может привести к образованию как характерной для эвтектики дисперсной структуры, так и структуры грубого конгломерата (по терминологии А.А. Бочвара). И действительно, как видно из рис. 42, увеличение толщины отливки, а следовательно, уменьшение скорости превращения постепенно приводит к образованию грубой структуры. При медленном охлаждении состав жидкого раствора на межфазных поверхностях успевает выравняться, поэтому обе фазы продолжают свободно расти до взаимной встречи, образуя грубый конгломерат кристаллитов. При быстром же охлаждении кристаллизующиеся фазы чередуются, что приводит к образованию дисперсной структуры, характерной для эвтектики. В связи с этим следует различать эвтектическое превращение и эвтектическую структуру, так как последняя далеко не всегда сопровождает первое.

Можно считать установленным, что кристаллизация эвтектики происходит из особых центров с образованием так называемых эвтектических колоний или эвтектических зерен, характеризующихся различной макро- и микроморфологией. Как правило, эвтектическая колония образуется монокристаллом одной из фаз и диспергированными включениями второй фазы. Однако от этого общего правила имеются некоторые отступления. Эвтектики в чугуне, как цементитная, так и графитная, состоят обычно из двух взаимно прорастающих разветвленных фаз. В каждой эвтектической колонии имеется по одному включению графита или одному кристаллу цементита, которые играют роль монокристаллов, хотя включения графита и не являются по существу монокристаллами. Эти высокоуглеродистые фазы прорастают через один или несколько кристаллов аустенита. При этом ледебуритная эвтектика растет всегда в виде пластинчатых образований, внутреннее строение которых может быть различным в зависимости от степени переохлаждения и характера зародышей. В обычных условиях наличия большого количества чужеродных зародышей и сравнительно небольшого переохлаждения образуется характерное для ледебурита строение непрерывной карбидной фазы с прорастаниями аустенита в виде продолговатых или крупных включений той или иной дисперсности (рис. 43, а). В условиях же больших переохлаждений эвтектика белого чугуна состоит из более или менее соединяющихся между собой пластин или плит карбидов, перемешанных с пластинами или неправильной формы глобулями аустенита (рис. 43, б). На рис. 43, в и г показаны схемы образования этих двух типов карбидной эвтектики, значительно различающихся по свойствам (плитообразная форма эвтектики отличается более высокой прочностью). Обычный ледебурит кристаллизуется в форме групповых и продолговатых кристаллов, растущих от края к центру. Каждая группа (пучок) представляет относительно большое эвтектическое зерно. Вследствие тенденции отдельных кристаллов изменять направление они взаимно соединяются так, что контуры зерен мало заметны. Плитообразная эвтектика кристаллизуется более объемно. Контуры пластинок карбидов в обоих видах эвтектики сходны, но и одном случае они зубчаты и приводят к характерной структуре ледебурита, а в другом — они развиваются в плиты с участками аустенита между плитами. В большинстве случаев кристаллизация метастабильной эвтектики начинается на цементите (инициируется цементитом), на котором зарождаются кристаллы аустенита. Это находится в соответствии с общим положением Я.В. Гречного, по которому инициирующей (ведущей) эвтектический распад фазой обычно является монокристальная фаза. Она характеризуется большей линейной скоростью и выдвигается при кристаллизации вперед, в жидкость, опережая в некоторой мере рост второй фазы. Однако, как будет показано ниже, роль ведущей фазы при известном переохлаждении может перейти и к аустениту.

В противоположность ледебуриту аустенитно-графитная эвтектика кристаллизуется обычно в виде сферических агрегатов (рис. 44 и 45). При этом ведущей может быть любая эвтектическая фаза в зависимости от переохлаждения. Об этом наилучшим образом можно судить по кинетическим диаграммам кристаллизации, получившим значительное развитие. Как видно из рис. 46, кинетические кривые эвтектического превращения имеют примерно такую же S-образную форму, как и соответствующие кривые распада аустенита. Приведенные диаграммы отражают кинетику свободной кристаллизации чугуна, определяющейся, следовательно, параметрами кристаллизации (n, v). Поэтому с понижением температуры (с увеличением переохлаждения) продолжительность процесса сначала уменьшается, а потом увеличивается . 46, а). Максимальная скорость процесса и минимальный инкубационный период соответствует переохлаждению в 8—10°. С дальнейшим увеличением переохлаждения инкубационный период увеличивается, а потом уже начинается переход на метастабильную систему, и инкубационный период с увеличением переохлаждения вновь уменьшается. Указанные закономерности подтверждаются схемой И.Н. Богачева (рис. 46, б), из которой (в отличие от схемы рис. 46, а) следует, что инкубационный период выделения цементита сокращается до нуля при увеличении переохлаждения. Кроме того, кривая 3 на рис. 46, б свидетельствует о возможности распада выделившегося цементита, если для этого будет дана достаточная выдержка, величина которой, естественно, возрастает с понижением температуры. Еще более полными и усложненными являются изотермические диаграммы К.П. Бунина и его сотрудников приведенные на рис. 46, в и г. Началу кристаллизации на этих диаграммах соответствуют три линии: БЛФ — для графита, 03 — для аустенита и НЛИ — для цементита; конец эвтектического распада изображается кривой РНФК, распад выделившегося цементита — линиями ФУ и HX. Чем больше переохлаждение, тем легче происходит переход кристаллизации на метастабильную систему. Инкубационный период образования графита при увеличении переохлаждения сначала уменьшается, а затем увеличивается подобно тому, как это имело место и на предыдущих диаграммах, но в противоположность последним кривая начала выделения графита состоит не из одной, а из двух С-образных кривых.

В зависимости от величины переохлаждения, а значит и скорости охлаждения, чугун в результате эвтектического превращения может получиться серым, половинчатым или белым. При малых переохлаждениях из жидкости сначала выделяется графит, затем аустенит, а при больших переохлаждениях, наоборот, сначала аустенит, а затем графит, причем в чугуне с шаровидным графитом (рис. 46, г) в конце превращения при этом выделяется и цементит и тем раньше, чем больше переохлаждение, так что ниже точки Л после аустенита выделяется цементит, а затем только графит. При очень большом переохлаждении (ниже точки Ф) графит вовсе не выделяется непосредственно из жидкости, а образуется в результате распада цементита по линии ФУ. Такой же процесс имеет место и по отношению к цементиту, выделяющемуся при меньших переохлаждениях по линии НЛ. Его распад протекает также после окончания кристаллизации в твердом состоянии по линии HX. Принципиально так же изменяется ход кристаллизации в сером чугуне (рис. 46, в) только области диаграммы располагаются иначе в отношении как температурной шкалы, так и шкалы времени. Из этих диаграмм ясно, что характер ведущей фазы меняется в зависимости от переохлаждения.

Диаграммы дают представление и о процессах, протекающих при непрерывном охлаждении, однако следует иметь в виду, что в реальных условиях эти процессы определяются уже не кристаллизационными параметрами, а теплоотводом. Скорость теплоотвода оказывает такое же большое влияние на эвтектическую кристаллизацию, как и на кристаллизацию первичных фаз: чем больше скорость охлаждения при прочих равных условиях, тем больше переохлаждение, больше число зародышей и тем, следовательно, мельче эвтектические колонии и дисперснее их внутреннее строение. Действительно, как видно из рис. 47, эвтектические колонии размельчаются с увеличением скорости охлаждения: чем меньше приведенная толщина отливки R, тем мельче эвтектическое зерно. Усматривается также, что на поверхности отливок эвтектическое зерно мельче, чем в центре. Таким же образом действуют все технологические факторы, ускоряющие охлаждение отливок или увеличивающие другим путем число зародышей в период кристаллизации и размельчающие первичную структуру чугуна. Так действуют модифицирование (рис. 48), центробежные силы при изменении скорости движения и другие факторы.

Вместе с тем, увеличение скорости охлаждения и величины переохлаждения изменяет также микроморфологию эвтектического зерна, повышая тенденцию к образованию лучисто-перистого или лучисто-сферолитного строения колоний. Выделения графита при этом размельчаются и разветвляются, а при больших переохлаждениях принимают даже шаровидную форму. По этой же причине графит в наружной части колонии оказывается более крупным и грубым, чем в центре (рис. 49), где он возникает в начале процесса кристаллизации, а следовательно, при больших скоростях охлаждения. Таким образом, теплоотвод является ведущим фактором как монофазной, так и полифазной кристаллизации, определяя в последнем случае скорость роста не только эвтектической колонии в целом, но и ее фаз. Очевидно, что при нормальной кристаллизации, когда обе эвтектические фазы находятся в контакте с жидкостью (рис. 45, а и б), линейные скорости роста этих фаз равны и идентичны линейной скорости роста колонии, что описывается выражением (I.37).

В случае анормальной кристаллизации эвтектики, когда в контакте с жидкостью находится только аустенит (рис. 45, в); объемная и линейная скорости роста колоний также определяются теплоотводом, однако линейные скорости роста отдельных фаз уже при этом разные. Так, например, приняв равновесные условия, можно определить соотношение в объемах аустенита (WА) и графита (WГ) в эвтектике согласно диаграмме состояния

Следовательно,

Таким образом, в течение всего процесса эвтектической кристаллизации соотношение радиусов аустенита и графита остается постоянным и равным 2,4. Таким же все время является и соотношение скоростей линейного роста аустенита и графита. Указанное вновь подчеркивает определяющую роль теплоотвода, обусловливающего скорость объемной кристаллизации. Линейная скорость роста фаз имеет подчиненное значение и при данной скорости объемной кристаллизации определяется числом зародышей и геометрической формой фаз.