Файл: Тодоров, Р. П. Структура и свойства ковкого чугуна.pdf

твердого раствора в карбид. Это приводит к возникнове­ нию двух противоположно направленных диффузионных потоков между 'карбидными включениями и твердым раствором. Из-за сравнительно медленной диффузии ле­ гирующих элементов в феррите их перераспределение в конечном итоге приводит к повышенной местной кон­ центрации Si вокруг карбидных включений. Максималь­ ной концентрации Si соответствует минимальное со­ держание Мп. Повышению местной (вокруг карбидов) ликвации кремния способствует, вероятно, и коагуляция карбидов.

Мы имеем в виду то, что новообразованные слои карбидов практически не содержат кремния. Они со­ стоят из атомов углерода, железа и марганца. В таком случае естественно ожидать повышения кремния в участ­ ках феррита, граничащих с цементитом. В свою оче­ редь повышенное содержание кремния (при одновре­ менном уменьшении марганца) создает исключительно благоприятные условия для образования графитных за­ родышей, поскольку при этом наблюдается местное сни­ жение растворимости углерода в твердом растворе. Из­ быточные атомы углерода выделяются в указанных ус­ ловиях, способствующих созданию зародышей графита. Есть немало оснований предполагать, что важную роль в их возникновении играет и диффузионная пористость, имеющая место в граничных поверхностях Ф/К (фер­ рит-— карбид) в силу эффекта Киркендаля. Речь идет о том, что противоположные диффузионные потоки пере­ распределяющихся элементов не могут быть абсолютно равнозначными, т. е. количество выходящих из карбидов атомов кремния не равняется количеству заместивших их атомов марганца. Это является результатом различия между коэффициентами диффузии марганца и кремния. Кроме того, содержания указанных элементов в ковких чугунах неодинаковы.

Существенные противоречия среди исследователей в отношении состава е-карбида и механизма его превраще­

40

ния в Fe3C лишают нас возможности рассмотреть доста­ точно подробно роль этой реакции в 'процессах графитизации.

Мы считаем, однако, что близость температурного интервала карбидного превращения к оптимальным (с точки зрения последующей графитизации) темпера­ туры отпуска не случайна. Она свидетельствует о том, что и карбидное превращение имеет существенное зна­ чение ів общей цепи 'процессов, вызывающих зарождение графитовых центров. Благоприятное влияние карбидно­ го превращения на процесс графитизации косвенно подтверждается теми [представлениями, согласно кото­ рым карбидное превращение является переходом Fe2C

вFe3C. С этой позиции можно было бы утверждать, что

врезультате карбидного превращения возникает допол­ нительный «избыток» атомов углерода, так как Fe2C более богат углеродом, чем Fe3C. В условиях рассматри­ ваемых сплавов этот «избыток» может реализоваться при формировании графитовых образований. Последним, разумеется, не исчерпывается положительное влияние карбидного превращения. Важное значение для образо­ вания графитовых зародышей имеет и то, что вновь об­ разовавшийся карбид Fe3C характеризуется меньшим относительным объемом, чем е-карбид [52]. Поэтому превращение сопровождается возникновением положи­ тельных напряжений в карбидах. Совершенно очевидно, что весь этот комплекс воздействия карбидного превра­

щения играет значительную роль в создании условий для образования графитовых зародышей. Итак, мы ви­ дим, что в результате перераспределения кремния и марганца в граничных участках феррита (на границе с карбидами) возникает зона повышенной концентрации кремния (кремнистый ферритный барьер), вызывающая местное пересыщение и выделение углеродных атомов из твердого раствора. К ним присоединяется и углеро­ дистый «избыток» .карбидного превращения. Эти угле­ родные атомы и формируют зародыши будущих графи­ товых включений1. Следует также отметить, что кремни­

1 Определенную роль при формировании .графитовых зародышей может иметь и дорастание до критических размеров графитовых образований, которые возникают при кристаллизации чугуна [53, 56]. Разумеется, речь идет о таких графитовых образованиях, ко­

торые не дезактивированы адсорбировавшимися на их поверхности примесяіми.

41

стый барьер предохраняет возникшие таким образом зародыши графита от растворения в аустените при пос­ ледующей аустенитизации, необходимой для проведения первой стадии графитнзацип. Мы имеем в виду извест­ ный эффект Даркена [53], который показывает, что присутствие кремния может вызвать диффузию углерода в направлении, противоположном градиенту концентра­

ции.

Гомогенизирование металлической основы в отноше­ нии кремния — сравнительно медленный диффузионный процесс. Поэтому возникшие графитовые зародыши не­ которое время остаются в окружении матрицы с повы­ шенным содержанием кремния. В таких условиях рас­ творение графитовых включений в аустените происходит медленнее, чем цементнтиых. Эти соображения дают нам возможность объяснить устойчивость эффекта предвари­ тельной закалки и после аустенитизации железоуглеро­ дистых сплавов.

Приблизительные представления о концентрации кремния в указанном кремнистом барьере можно полу­ чить по аналогии с данными о распределении элементов при отпуске стали следующего состава: 0,4% С, 1,38% Si [54]. Результаты проведенного исследования представлены на рис. 19. Данные получены при помощи

фазового химического анализа. Как и следовало ожидать, при сравнитель­ но высоких температурах

(порядка 600—700°С) пе­ рераспределение крем­ ния протекает довольно быстро. При температуре 700°С оно заканчивается к концу 20-й минуты. На рис. 20 показаны расчет­ ные зависимости, иллю­ стрирующие изменение концентрации кремния в узких ферритных слоях, непосредственно окру-

ожающих карбидные вы­

деления. Пунктирном линией представлено изменение средней концентрации кремния в исследованной стали. Ее повышение по ходу отпуска вызвано непрерывно уве-

42

личіівающимся ооъемом карбидной фазы и диффузион­ ным перераспределением кремния. Эти зависимости по­ казывают, что в рассматриваемых условиях нет соответ­ ствия между скоростью вы­ хода атомов кремния из кристаллов цементита и их диффузней в объеме а-твер- дого раствора. Выход крем­ ния из цементита значитель­ но опережает его диффузию в окружающем феррите. В результате этого в зонах феррита, примыкающих к карбидным включениям, концентрация кремния вна­ чале отпуска повышается.

С течением времени она до­ стигает некоторого макси­ мума, после чего непрерыв­ но уменьшается, стремясь к достижению средней кон­ центрации указанного эле­ мента в твердом растворе. В зависимости от темпера­ туры и длительности отпус­ ка концентрация кремния в высококремнистом барьере феррита может достигать различных значений.

повышенным содержанием кремния при диффузионном перераспределении элементов является фактом, с -кото- ры'м нужно считаться. Можно спорить лишь о факти­ ческой концентрации -кремния в указанном барьере, о

влиянии различных факторов на эту концентрацию, и т. д.

43

1\ сожалению, данных, которыми мы располагаем, недостаточно, чтобы вникнуть во все детали перераспре­ деления.

Изложенные соображения о перераспределении кремния и марганца между твердым раствором и карби­ дами могут быть заложены в основу выяснения процес­ сов, протекающих по ходу искусственного старения расматриваемых сплавов. Дело в том, что охлаждение отливок в литейной форме приводит к некоторому пере­ сыщению твердого раствора углеродом. Величина его, разумеется, намного ниже, чем при мартенситном прев­ ращении. Но это не меняет природы процессов, сопро­ вождающих выделение избыточного углерода. В прин­ ципе они аналогичны процессам отпуска закаленных сталей. II в этом случае при достаточно медленном нагревании из твердого пересыщенного а-раствора вы­ деляются низкотемпературные е-карбиды. Содержание кремния и марганца в них также соответствует составу твердого раствора и т. д. Иными словами, при нагрева­ нии создаются условия для перераспределения этих элементов, соответствующие вышеуказанной схеме (ом. рис. 18). Существуют и некоторые важные особенности, которые мы должны учитывать. В данном случае мы имеем дело с незначительным пересыщением твердого раствора. Оно, по-видимому, соизмеримо с максималь­ ной растворимостью углерода в феррите. Поэтому, если искусственное старение будет проведено при сравнитель­ но высоких температурах (порядка 500—700°С), состоя­ ние пересыщенности резко снизится, что приведет к минимальной эффективности предварительного старения (рис. 21,а). Следовательно, оптимальный эффект ука­ занного процесса наблюдается только в температурном интервале 300—400°С. Из-за медленного перераспреде­ ления кремния и марганца более низкие температуры тоже характеризуются незначительными результатами. Изложенные соображения дают логическое объяснение различиям в оптимальных температурах старения и от­ пуска (см. рис. 21,6). Сходство последних зависимостей очевидно.

Предложенный механизм формирования зародышей, как мы полагаем, удовлетворительно объясняет влияние предварительного охлаждения (см. рис. 11). В частнос­ ти, становится понятным, почему в присутствии пред­ варительного охлаждения, т. е. если отливки переме-

44

ідают горячими в предварительно нагретую печь, rpäфитизация'протекает чрезвычайно медленно.

С этих позиций становятся ясными и зависимости рис. 12. В .выяснении в данном случае нуждаются зави­ симости, выраженные кривыми 3 и 4. Последние относят­ ся к графитнзации образцов, 'которые охлаждались

*103

после затвердевания с одинаковой скоростью. Особен­ ным здесь является то, что графитизация тонкостенных отливок протекает медленнее, чем графитизация тол­ стостенных. Указанные зависимости 'Связаны с перерас­ пределением .карбидообразующих элементов (в том числе марганца и хрома) в процессе кристаллизации. Стремясь удовлетворять определенному коэффициенту распределения между цементитом и аустенитом в усло­ виях медленного затвердевания (что имеет место в толстостенных отливках), большая часть марганца и хрома сосредоточивается в 'цементите. При ускоренном затвердевании их концентрация заметно уменьшается, так как указанное 'перераспределение является диффу­ зионным процессоім, протекающим тем полнее, чем длительнее затвердевают отливки. Следовательно, в затвердевших и затем охлажденных до комнатной тем­ пературы опытных образцах различной толщины аусте­ нитная (соответственно ферритная) фаза будет разли­ чаться по содержанию марганца и хрома. В аустените (феррите) тонкостенных отливок количество Мп и Сг будет больше, чем в толстостенных. Указанной неравно­ мерностью распределения этих элементов и объясняют­

45

ся отмеченные выше (см. рис. 12) закономерности. Ис­ ходя из рассмотренной схемы образования графитовых зародышей, очевидно, что повышенное содержание карбидообразующих элементов в феррите (а следовательно, и в е-карбиде) ухудшает условия образования центров. Так обстоит дело при обеспечении одинаковой скорости охлаждения отливок после затвердевания. В практике производства ковкого чугуна мы обычно сталкиваемся со случаем, когда вся номенклатура отливок (как тол­ стостенных, так и тонкостенных) охлаждается в песоч­ ной форме до комнатной температуры. При этом тонко­ стенные отливки охлаждаются с большей скоростью не только во время затвердевания, но и далее в твердом состоянии. Поэтому здесь оказывается влияние двух противоположно направленных факторов. С одной сто­ роны, это фактор перераспределения указанных элемен­ тов, замедляющий последующую графитизацию отливок, а с другой — это фактор ускоренного охлаждения в твердом состоянии и связанное с ним пересыщение а- раствора. Под влиянием этого фактора условия образо­ вания зародышей для последующей графитизации улуч­ шаются. Речь идет о том, что выделение избыточной фа­ зы (е-карбида) из более пересыщенного раствора при последующем нагреве протечет в большей степени. В за­ висимости от конкретных условий охлаждения будет доминировать действие первого либо второго фактора. Под влиянием последнего тонкостенные отливки графитизируются быстрее, чем толстостенные.

Изложенные соображения о сущности процессов ус­ корения графитизации в результате предварительных обработок дают логическое объяснение к эксперимен­ тальным данным рис. 16. Повышение концентрации кремния, очевидно, увеличивает высоту высококремни­ стого ферритного барьера, что приводит к возникновению большего числа графитовых центров. Таким же образом воздействует и изменение содержания углерода. Наобо­ рот, марганец и хром снижают эффективность предва­ рительных обработок. Их повышение в составе белых чугунов сопровождено увеличением их концентрации в объемах, соответствующих кремнистым ферритным барьерам. Это стабилизирует цементит и стимулирует выделение углерода в виде включений типа (Fe, Мп)3С

и (Fe, Сг)зС.

Становится понятным и тот факт, что повышенные

46

температуры закалки увеличивают количество графито­ вых включений. Дело в том, что более высокие темпера­ туры способствуют большему пересыщению твердого раствора (мартенсита) углеродом.

Остановимся и на топографии графитовых включений. Следует полагать, что она определяется распределением кремния и углерода в пересыщенном растворе.

О неравномерном распределении кремния в струк­ туре белого чугуна уже упоминалось. Показано было, что его содержание в эвтектическом аустените и в гра­ ничных с цементитом участках аустенита (см. рис. 7) выше его средней концентрации в рассматриваемых сплавах. Под влиянием этого фактора графитовые вклю­ чения проявляют тенденцию к такому же распределению. Дело, однако, не только в кремнии. Определенное, а в некоторых случаях решающее влияние оказывает и рас­ пределение углерода. В наших исследованиях было по­ казано, что его расположение в у-твердом растворе обычно является зеркальным отражением распределения кремния, т. е. повышенной концентрации последнего со­ ответствует понижение углерода, и наоборот [57]. И это вполне логично, поскольку кремний смещает линии ES диаграммы Fe—С влево, в сторону меньших кон­ центраций углерода. Имея прямое отношение к форми­ рованию графитовых зародышей, углерод, разумеется, стремится привести и их распределение в соответствие со своей концентрацией в твердом растворе.

Итак, фактическое распределение графитовых вклю­ чений в структуре чугуна определяется той реальной ситуацией, которая складывается в отдельных микро­ участках твердого раствора в отношении концентрации кремния и углерода. Наибольшим числом включений характеризуются такие участки металлической матрицы, в которых совместное влияние указанных факторов соз­ дает наиболее благоприятные условия для формирования и роста графитовых образований до необходимого кри­ тического размера. В зависимости от конкретных усло­ вий эти участки могут изменяться. В некоторых случаях это границы АіЩэ, где формированию зародышей бла­ гоприятствует высокое содержание кремния, в других (при повышенных температурах закалки)— внутренние части бывшего первичного аустенита, занятые благодаря высокой концентрации углерода. Наконец, в условиях еще более высоких температур закалки графитовые за­

47