Файл: Салли И.В. Углерод на поверхности растворов внедрения.pdf

и разложения исходных продуктов, роль примесей и под­ ложек. Анализ основ фазового превращения (зарождение, рост и форма, роста кристаллитов), который обычно основы­ вается на фундаменте молекулярно-кинетической и термо­ динамической теории кристаллизации, почти не проводится.

Графитизация 1 в сплавах изучена гораздо подробнее, однако и здесь можно перечислить немалое количество раз­ личных точек зрения на те или иные детали механизма фа­ зового превращения.

Еще совсем недавно основные дискуссии велись вокруг вопроса о роли карбида, как промежуточной стадии обра­ зования графита. Сейчас центр тяжести сместился в область трактовки явлений, связанных с образованием различных форм роста кристаллитов графита в сталях, чугунах и си­ стемах углерод — никель, углерод — кобальт.

Особенно большое внимание уделяется шаровидному (глобулярному) графиту модифицированных чугунов [19, 24, 10, 21]. Интерес к этой области исследования объясняегся тем, что чугун и графитизирующиеся стали получили очень широкое применение, а из чугуна с шаровидным гра­ фитом, в последние годы, изготавливают все более и более ответственные детали. Естественно, что создание общей тео­ рии графитизации способствовало бы и улучшению техно­ логии производства материалов высокого качества.

В настоящей монографии не приводится подробный ана­ лиз и критика существующих гипотез образования твер­ дого углерода, а освещается лишь специфическая область поведения углерода, его кристаллизация иа поверхности пересыщенного раствора внедрения. Однако ознакомление с результатами проведенного исследования будет способ­ ствовать более глубокому пониманию механизма образо­ вания твердого углерода в любых процессах, а особенно в производстве сплавов, содержащих свободный углерод.

Остановимся кратко на некоторых общепризнанных фактах, связанных с графитизацией сплавов. В различных по составу чугунах можно получить почти любые формы графита от пластинчатого до шаровидного. Однако при медленном охлаждении заэвтектического чугуна (без при­ менения специальных приемов) первичный графит приобре-

1 Обычно под термином графитизация в металловедении подра­ зумевают все случаи появления твердого углерода в структуре угле­ родистых сплавов. Термин графитация означает образование графита из аморфного углерода.

16

Г л а в а I

КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ УГЛЕРОДА НА ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ

НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ И КОБАЛЬТА

Явление образования графита на поверхности твердого раствора впервые было обнаружено в железоуглеродистых сплавах. Однако описание особенностей этого явления це­ лесообразнее начинать на примере более простых систем. В данном случае наиболее рациональными являются систе­ мы никель—углерод и кобальт—углерод, диаграммы состоя­ ния которых приведены на рис. 9 [64].

Прежде всего выбор этих систем для изучения поверх­ ностной графптизации обусловлен тем, что в них, так же как и в железоуглеродистых сплавах, имеются участки с тем­ пературной зависимостью растворимости углерода в твер­ дом растворе. Поэтому априори можно ожидать выделения графита на их поверхности. Кроме того, в этих системах при обычных скоростях охлаждения отсутствуют метаста­ бильные фазы Ni3C и Со3С, подобные цементиту в железо­ углеродистых сплавах, что позволяет изучать процесс по­ верхностной графитизации как бы в «чистом» виде [39]. В этом отношении особенно полезным оказался сплав ни­ келя с углеродом. Гранецентрированная кубическая решет­ ка a -твердого раствора не претерпевает изменений вплоть до комнатной температуры, а в структурном отношении она подобна решетке аустенита и их параметры отличаются незначительно. Это облегчает постановку ряда эксперимен­ тов с целью выяснения особенностей выделения углерода из аустенита [40].

Наличие полиморфного превращения в сплавах кобальта с углеродом дает возможность уточнить роль у ->- «-пре­ вращений в характере распределения углерода на поверх­ ности сталей. Наконец, изучение процесса поверхностной графитизации в Ni—С и Со—С сплавах представляет самостоятельный интерес, так как углерод является по­ стоянным спутником этих элементов [1] и выяснение усло­ вий, при которых он будет находиться в связанном состоянии,

должно способствовать улучшению механических ха­ рактеристик материала.

Основой исследуемых сплавов были электролитический никель и кобальт. В качестве второго компонента приме­ нялся цейлонский графит. Выплавка сплавов производи­

также обнаружено следов карбида и кобальта. Следова­ тельно, исходным материалом для дальнейших исследова­ ний был однородный пересыщенный твердый раствор уг­ лерода в никеле и кобальте.

1. Условия образоваиия и структура пленок углерода выделения

Образование графита в Ni—С и Со—С и сплавах сопря­ жено с большим увеличением объема. Поэтому выделение графита должно происходить прежде всего на готовых по­ верхностях раздела. Немаловажную роль в этом процессе играет и то обстоятельство, что на поверхности отсутствует лимитирующее звено [11], каким является отвод атомов матрицы от фронта кристаллизации зародыша новой фазы.

После нагрева в вакууме до области однофазного состоя­ ния и последующего охлаждения полированная поверхность образцов Ni—С и Со—С сплавов покрывается графитной пленкой (рис. 10). Для достоверности были проведены рент-

20

Рис. 10. Выделение графита на поверхности:

гено- и электронографическне исследования, которые под­ твердили ее графитную природу.

Результаты опыта не дают однозначного ответа на во­ прос, в какой период термообработки происходит выделе­ ние графита на поверхности. Поэтому были поставлены дополнительные эксперименты. Образцы после изотермиче­ ской выдержки при температуре однофазного состояния подвергались закалке. Закалочной жидкостью служила ртуть. Во избежание амальгирования образцы помещались

Рис. И . Поверхность сплавов после 30-ыинутной выдержки в области однофазного состояния и последующей закалки в ртути:

а — N1 — С (0,31% С) сплав; 6 •= Со — С (0,37% С) сплав (X 200).

21

в тонкостенные металлические цилиндры. Все операции осу­ ществлялись без нарушения вакуума. Результаты опытов (рис. 11) показывают, что поверхность образцов после за­ калки совершенно свободна от выделений графита. Этот факт был подтвержден и данными электронномикроскопиче­ ских исследований.

Таким образом, процесс поверхностной графитизации Ni—С и Со—С сплавов идет путем возникновения и роста зародышей графита при охлаждении, в результате которого растворимость углерода в твердом растворе уменьшается. Если бы графит образовывался в процессе изотермической выдержки при температуре однофазного состояния, то, очевидно, последующая закалка зафиксировала бы его при­ сутствие. Наконец, данный вывод был подтвержден непо­ средственными наблюдениями за состоянием поверхности с помощью высокотемпературного металломикроскопа.

22