Эвтектический чугун

Эвтектический белый чугун

С использованием диаграммы состояния системы Fе-Fе₃С проанализируем структурообразование белого эвтектического чугуна (сплав Х₁ на рис. 8.5) при кристаллизации расплава и последующих фазовых превращениях в твердом состоянии.

При охлаждении чугуна с 4,3 % С (точка С) по достижении эвтектической температуры (1147°С) кристаллизуется аустенито -цементитная эвтектика - ледебурит по реакции . Соотношение аустенита и цементита в ледебурите, согласно правилу рычага, равно примерно 50 : 50.

Структура ледебурита обычно состоит из хорошо выраженных эвтектических колоний (рис. 8.6, б). Каждая эвтектическая колония в ледебурите - это двухфазный бикристалл, сросток двух разветвленных кристаллов цементита и аустенита. Каждая эвтектическая колония растет из одного центра.

По окончании затвердевания эвтектического белого чугуна Х₁ (см. рис. 8.5) состав аустенита внутри ледебурита изменяется по линии ЕS и из обедняющегося углеродом аустенита в интервале температур от точки С до точки S выделяется вторичный цементит, который как самостоятельная структурная составляющая не виден.

При достижении температуры 727 °С (так же, как и в сталях) происходит эвтектоидный распад аустенита с образованием перлита: . Ледебурит после эвтектоидного (перлитного) превращения называют превращенным. Он состоит из перлита и эвтектического цементита, причем сам перлит состоит из феррита и эвтектоидного цементита.

Таким образом, при металлографическом анализе при комнатной температуре мы имеем дело только с превращенным ледебуритом. Двухфазное строение перлита в колониях превращенного ледебурита обычно при средних увеличениях не выявляется, и темные включения в превращенном ледебурите (см. рис. 8.6, б) выглядят как при- надлежащие одной фазе, хотя в действительности они являются эвтектоидной смесью феррита и цементита.

Рисунок 8.6 - Микроструктура доэвтектического (а), эвтектического (б) и заэвтектического (в) белого чугуна

Структурообразование заэвтектического (сплав Х₂ на рис. 8.5) и доэвтектического (сплав X₃ на рис. 8.3) белых чугунов отличается от рассмотренного выше структурообразования эвтектического чугуна только тем, что перед эвтектической кристаллизацией ледебурита при температурах ниже точек 3 и 5 протекает кристаллизация первичного цементита и аустенита соответственно.

Первичный цементит кристаллизуется в форме пластин. Попадание пластины первичного цементита своей большей плоскостью в плоскость шлифа - это, естественно, чрезвычайно редкий случай. Произвольные сечения пластин первичного цементита на шлифе имеют вид узких светлых полос (рис. 8.6, в).

Первичный аустенит кристаллизуется в виде дендритов с округлыми ветвями. На рис. 8.6, а большие темные округлые участки - это дендритные ячейки (сечения ветвей дендритов) первичного аустенита. После первичной кристаллизации аустенита происходит эвтектическая кристаллизация ледебурита. Дендриты первичного аустенита, превратившиеся в перлит, сохраняют свои первоначальные очертания и поэтому соответствующую структурную составляющую называют превращенным аустенитом. Двухфазное строение превращенного аустенита на шлифе не всегда выявляется.

Таким образом, при комнатной температуре в доэвтектическом белом чугуне можно увидеть две структурные составляющие: первичный превращенный аустенит и превращенный ледебурит. А в заэвтектическом белом чугуне - первичный цементит и превращенный ледебурит.

В заключение следует заметить, что, независимо от сочетания структурных составляющих, как стали, так и белые чугуны при комнатной температуре состоят из одних и тех же двух фаз - феррита и цементита.

Применение, свойства и структура белого чугуна

Чугуном называется сплав железа с углеродом и другими элементами. Стоит отметить, что главной особенностью чугуна является именно содержание в справе углерода, минимальное значение которого должно составлять 2,14%. Именно данный показатель содержания углерода в сплаве является точкой предельной растворимости углерода в аустените на диаграмме состояний. Все сплавы, в которых количество углерода ниже, чем 2,14%, называются сталью. Благодаря углероду сплавы железа приобретают твердость, однако, при этом, теряют свою пластичность наряду с вязкостью. Углерод в чугуне присутствует в виде графита или цементита. В зависимости от того, графит какой формы содержится в чугуне графит, различают несколько видов чугуна:

• белый;
• серый;
• ковкий;
• высокопрочный.

Кроме углерода в составе чугуна присутствуют также примеси. Как правило это кремний, марганец, сера, фосфор. Чугун сочетает в себе два качества – с одной стороны это хрупкость, с другой стороны – прочность. Именно это делает чугун незаменимым во многих сферах человеческой деятельности.

Белый чугун в своем составе содержит углеродные соединения - цементиты. Своим названием белые чугуны обязаны характерному белому окрасу и блеску, хорошо видному на изломе. Такой блеск образуется на поверхности чугуна в связи с отсутствием в сплаве больших включений графита. В белом чугуне выявить графит можно только двумя путями – с помощью спектрального анализа или химического.

Состав белого чугуна

Углерод в белом чугуне имеет связанный вид. (Fe₃C). Его количественное содержание в данном сплаве определяет следующие виды белого чугуна:

• доэвтектический белый чугун. Для данного чугуна характерно содержание углерода от 2,14% до 4,3%. После полного остывания структура данного чугуна представляет собой структуру перлита, ледебурита (перлит и цементит), а также вторичного цементита;
• эвтектический белый чугун. Основной характеристикой данного сплава является содержание углерода в количестве 4,3%;
• заэвтектический белый чугун отличается от двух предыдущих видов повышенным содержанием в своем составе углерода – от 4,35% до 6,67%.

Кроме этого, данный сплав также подразделяется на обыкновенный, отбеленный, а также легированный.

Внутренняя структура белого чугуна представлена сплавами двух химических элементов – железа и углерода. Вопреки тому, что производство белого чугуна осуществляется в условиях достаточно высокого температурного режима, он сохраняет мелко зернистую структуру, что, в свою очередь, и дает тот самый характерный белый цвет на изломе детали, выполненной из данного чугуна.

Стоит отметить, что структура доэвтектического сплава всегда присутствует цементит, процентное содержание которого может достигать 100%. Однако, данная ситуация больше характерна для эвтектического металла. А вот заэвтектический вид белого чугуна состоит из эвтектики и первичного цементита.

Представителем таких сплавов является отбеленный чугун, в основе которого находится серый или высокопрочный чугун. В поверхностном слое данного чугуна отмечается высокое процентное содержания ледебурита и перлита. Отбеливание на глубину до 30 мм осуществляется путем быстрого охлаждения. Таким образом добиваются того, что сверху чугун имеет белый цвет, но внутри содержится обыкновенный серый сплав.

В чугуне также могут присутствовать и легированные элементы, такие как хром, никель, алюминий и другие. В зависимости от того, какое количество легируемых элементов содержится в составе чугуна, существуют следующие виды сплавов:

• низколегированные, содержащие в своем составе максимум 2,5% легирующих добавок;
• среднелегированные, в которых процентное содержание легируемых добавок может составлять 10%;
• высоколегированные, которые содержат 10% и более легируемых элементов.

Свойства белого чугуна

Как уже говорилось выше, чугун отличается своей прочностью и хрупкостью одновременно. Однако, данное сочетание качеств придает ему множество уникальных свойств, делающих чугун незаменимым материалом для применения во многих сферах человеческой деятельности.

Среди таких качеств можно выделить следующие:

• высокая твердость;
• высокое удельное сопротивление;
• высокая износостойкость;
• устойчивость к воздействию на материал высоких температур;
• устойчивость к коррозии, а также к различного рода кислотам.

Стоит отметить, что белые чугуны, в которых отмечается пониженное процентное содержание углерода, более устойчивы к воздействию на них высоких температур. Данное свойство применяется с целью уменьшения числа трещин в отливках.

Однако, нет ничего идеального. Не смотря на множество достоинств и уникальность, чугун также обладает и некими недостатками:

• низкие литейные свойства;
• хрупкий;
• отливки и детали из белого чугуна плохо поддаются обработке;
• большая усадка, порой достигающая 2%;
• низкая стойкость к ударам;
• плохая свариваемость.

Применение белого чугуна

В связи с тем, что обыкновенный белый чугун плохо поддается механической и термической обработке, область его применения является достаточно ограниченной. Как правило для изготовления изделий его используют в виде необработанных или частично обработанных отливок.

Однако, все же сплав используется для изготовления габаритных изделий простой конфигурации, а также узлов и агрегатов, постоянно подвергающихся воздействию абразивных материалов. В связи с этим он нашел свое применение в машиностроении, станкостроении, судостроении. Так, белый чугун используется для изготовления корпусов и деталей станков и прокатных станов, шаров для мельниц, приводных и опорных колес. Также он является сырьем для производства некоторых деталей легковых и грузовых автомобилей, тракторов, комбайнов, а также различной габаритной сельскохозяйственной техники. Легирующие элементы, как уже писалось выше, позволяют существенно улучшить сплав, наделяя его специально заданными свойствами. Это позволяет использовать белый чугун для производства плит, имеющих различную форму поверхности.

Стоит отметить, что белый чугун представляет собой сырье, из которого изготавливаются ковкие сорта железоуглеродистых чугунных и стальных сплавов.

Теги: чугун , легированный чугун , использование чугуна , белый чугун , доэвтектический чугун , эвтектический чугун , заэвтектический чугун

Гиссерай Лексикон

ist Weltweit das umfangreichste Werk, das auf neuestem Technologiesstandard basiert und in English und Deutscher Sprache verfügbar ist! В бессрочном онлайн-лексиконе вы найдете полный набор технических и промышленных технологий! Может быть студентом или инженером, специалистом или практиком, профессором университета или инвестором. Hier finden Sie был Siesuchen!

• 20.02.2023

  Godfrey & Wing CFi installiert neue Anlage für Zylinderkopfhauben в Германии - Godfrey & Wing hat von einem führenden europäischen Bearbeiter den. ..

• 14.02.2023

  Февраль 2023 г. - Mössner erweitert seine Geschäftsführung - Die August Mössner GmbH + Co. 08.02.2023

  Elkem hat beschlossen, seine Produktion im norwegischen Bremanger teilweise zu drosseln und einen Ofen vorübergehend abzuschalten. Grund hierfür sind...

• 02.02.2023

  Lithiumfreie Alternativen für Eisen-, Stahl- und Aluminiumgießereien

• 01.02.2023

  Amerikas Metallgießer sind vorsichtig optimistisch, was die Geschäftsbedingungen für das Jahr 2023 angeht. Dies geht aus der neuen "Ежеквартально...

• 25.01.2023

  Weltweit erstes Pilotprojekt zur Kohlenstoffabscheidung in Schmelzwerken bei Elkem in Rana, Norwegen, eingeweiht - die weltweit erste Pilotanlage zur. ..

• 18.01.2023

  Der Stimmungsindikator der europäischen Gießereiindustrie (FISI) hat sich im November seitwärts bewegt. Eine leichte Verbesserung um 0,2 Punkte Bringt...

• 11.01.2023

  Tool-Temp AG aus der Schweiz präsentierte die neuen smarten und Intelligenten Temperiergeräte der Produktelinie MATIC.

• 04.01.2023

  Fachleute aus allen Bereichen des Metallgussmarktes werden auf dem Metalcasting Congress 2023, der vom 25. bis 27. April 2023 im Huntington Convention...

• 28.12.2022

  Der Eisengießereikonzern Waupaca Foundry Inc. hat drei Auszeichnungen von nationalen, bundesstaatlichen und Branchenverbänden erhalten, die sein. ..

• 21.12.2022

  Der neue TCF® Zweikammer-Schmelzofen für das Recycling von Aluminiumschrott von LOI Thermprocess hat zwei alte Anlagen am Standort des Kunden in...

• 14.12.2022

  Strategische Zusammenarbeit von Friend und Bühler Treibt den Druckgussmarkt für Megacasting voran

Вайтерлезен

Когда эвтектика чугуна?

Приложение для обсуждения технических вопросов

Комментарии рецензента

Комментарии к статье A. Regordosa, J. Sertucha, J. Ramón Olaizola, J. Lacaze

«Когда эвтектика чугуна?»

Леках Симон Николаевич

Университет науки и технологии Миссури

Статья A. Regordosa et al. «Когда чугун эвтектичен?»13 содержит интересное исследование, связанное с применением промышленного термического анализа для определения типа первичного затвердевания чугуна со сфероидальным графитом (СГГ). Связанный с этим вопрос «Когда эвтектика чугуна?» это не риторика и, безусловно, очень важно как для теории затвердевания, так и для промышленной практики. В частности, доэвтектический режим кристаллизации с образованием аустенитной дендритной сетки может способствовать образованию микроусадки, а выделившиеся первичные графитовые конкреции в заэвтектическом ЗСГ могут плавать в расплаве отливок тяжелого сечения и создавать структурную неоднородность. Однако терминология, используемая в методологии этой статьи, получена исключительно из промышленного термического анализа и не может решить эту загадку без вспомогательного микроструктурного анализа или использования других методов прямого наблюдения. Например, в статье13 изменение наклона модифицированного ЗСГ, затвердевшего в песчаной чашке, было идентифицировано как первичный ликвидус графита (9).0119 T _LG ), в то время как термическая остановка на немодифицированном SGI была идентифицирована как ликвидус первичного аустенита ( T _AL ) (рис. 1). На основании анализа таких данных сделаны выводы о переходе от доэвтектического к заэвтектическому режиму при модифицировании ЗСГ. Однако это важное утверждение должно было быть подтверждено детальным структурным анализом.

Приведены температурные записи немодифицированных (пунктирная кривая) и модифицированных (сплошная кривая) с указанием характерных температур. (Рисунок 8 из 13).

Полноразмерное изображение

Чтобы лучше понять эти проблемы, будет полезно предоставить некоторый базовый контекст. Согласно классическому определению, эвтектическая морфология характеризуется одновременным ростом двух или более фаз, находящихся в непосредственном контакте с расплавом. как «эвтектическое превращение». Учитывая, что этот продукт превращения состоит более чем из одной фазы, эвтектика может иметь большое разнообразие геометрических структур, в том числе: (i) регулярная эвтектика, образованная неограненными металлическими фазами с низкой энтропией плавления (рис. 2а) или (ii) нерегулярная эвтектика, когда одна из фаз имеет высокую энтропию плавления и выделяется в виде ограненных кристаллов, например, эвтектика Fe–C в чугуне с чешуйчатым графитом или эвтектика Al–Si с волокнами Si (рис. 2б). Во всех этих случаях обе фазы затвердевали при непосредственном контакте с жидкой фазой. Если аустенит в чугуне или дендриты α-Al в сплаве Al–Si выделялись первыми, то этот режим будет классифицироваться как доэвтектический, а в случае прямого выделения графита или Si фазы из расплава, это будет заэвтектическое затвердевание. Влияние третьего элемента в затвердевшем твердом растворе, например Si или Mn в аустените чугуна Fe-C-Si, можно рассмотреть и описать с помощью эвтектического эквивалента ( CEq ). Исходя из такого рассмотрения равновесия, ответ «Когда чугун эвтектичен» может быть очень простым.

Схема эвтектических типов: ( a ) регулярная, ( b ) неправильная и ( c ) разведен.

Увеличить

Однако из-за перераспределения растворенного вещества в жидкости перед растущими твердыми фазами и искривления границы раздела рост эвтектик происходит с некоторым переохлаждением по отношению к равновесию. Этот переохлаждение зависит от условий затвердевания (скорости охлаждения), количества гетерогенных зародышей, подвижности элементов в расплаве и свойств эвтектических фаз. связанная зона, между протяженностью обоих ликвидусов ниже равновесной эвтектической температуры. В принципе связанная зона правильной эвтектики симметрична и может быть определена из равновесной термодинамики с учетом эффектов диффузии и капиллярности 15. Амплитуда изменения концентрации в связанной зоне пропорциональна переохлаждению. Однако для неправильных эвтектик из-за того, что связанная зона, образующаяся в переохлажденном расплаве, смещена в сторону ограненной фазы (Si или графита), состав для роста сплава полностью эвтектически смещается все дальше и дальше от равновесного эвтектического состава, когда затвердевает при все большей и большей скорости охлаждения. Практически это означает, что эвтектика неправильного типа в застывающей отливке будет формироваться в слегка заэвтектическом составе CEq _{фактическое} относительно равновесного состава CEq _eq и CEq _{фактическое} будут зависеть от скорости охлаждения.

Кроме того, это определение эвтектики не может быть строго применимо к SGI, обработанному Mg, потому что не происходит фактического параллельного выделения или совместного роста двух фаз (аустенита и графита) в контакте с расплавом (рис. 2c). Тщательный взгляд на локальную последовательность затвердевания указывает на разделение процессов зарождения и роста ограненных графитовых конкреций и неограненных аустенитных дендритов непосредственно из расплава. Различия в скорости роста и подвижности атомов способствуют обволакиванию конкреций аустенитом и переключению разных режимов затвердевания в течение всего затвердевания. Такое поведение было названо разведенным ростом, который можно описать как комбинацию режимов роста графит/расплав, аустенит/расплав и графит/аустенит, которые могут происходить последовательно или одновременно в разных локальных микрообъемах затвердевающих отливок. Кроме того, образование новых активных зародышей при затвердевании, т.е. из-за сегрегации элементов может способствовать непрерывному образованию зародышей, что приводит к нескольким волнам зародышеобразования.16 Это означает, что для SGI нельзя указать одну единую схему затвердевания. Итак, каким может быть определение доэвтектической и заэвтектической структуры в этом случае? Видно, что затвердевание ЗСГ имеет размытую границу между этими режимами затвердевания и значением фактического углеродного эквивалента CEq _{фактический} для получения эвтектической структуры будет зависеть от равновесного эвтектического углеродного эквивалента для основной химии ( CEq _eq = 4,3 мас.% ^{Сноска 1} ), концентрации Mg, влияющей на рост графита CEq _Mg = f (Mg)), скорость охлаждения В (∆CEq _v = f ( V )),19 эффективное гетерогенное число которые можно контролировать прививкой ( 9+ \, \Delta CEq_{v} + \, \Delta CEq_{n} + \Delta CEq_{{{\text{Mg}}}} $$

Поскольку существует возможность перекрытия нескольких режимов затвердевания в разных отливках микрообъемов, необходимо заключить соглашение в сообществе литья металлов, чтобы уточнить степень состава ( CEq _{фактический} +/- ɛ), когда слегка гипо- или заэвтектическая структура может рассматриваться как эвтектическая.

Давайте обсудим экспериментальные данные. Поскольку эвтектоидная реакция в низколегированных чугунах существенно маскирует первичную структуру затвердевания, было предложено несколько экспериментальных методов для выявления первичных аустенитных дендритов и режимов затвердевания. Боэри и соавторы17 применили метод DAAS (прямой аустемпинг после затвердевания) и цветную металлографию, чтобы выявить зерна затвердевания в SGI и CGI на основе картины микросегрегации. Эта картина указывала на сочетание первичного графита и первичного аустенита, выделенных одновременно в заэвтектической CGI с 3,53% C и 3,15% Si (рис. 3). Локально может наблюдаться заэвтектический режим, когда графитовые конкреции растут в непосредственном контакте с расплавом вдали от границы аустенита. Этот заэвтектический режим сосуществовал с локальным доэвтектическим режимом, когда из расплава формировались первичные аустенитные дендриты, а также со специфическим режимом затвердевания, когда сферические и уплотненные частицы графита развивались за счет диффузии углерода из расплава через аустенитные оболочки. Эти экспериментальные наблюдения были использованы авторами17 для изображения изменения состава жидкости во время развития кашицеобразной зоны в заэвтектическом ЗСГ (рис. 3б). Предполагалось, что имеет место начальный этап превращения заэвтектического типа, когда в расплаве растут первичные конкреции графита, затем происходит самостоятельное образование из расплава первичного аустенита (похоже на доэвтектический режим), и, наконец, это может быть сопутствующий рост аустенита и графит с возможным переключением графитового или аустенитного контакта с расплавом (заштрихованная область на рис. 3б). Можно отметить, что имеются также незначительные признаки «истинного» эвтектического затвердевания, когда графитовые конкреции лишь частично окружены аустенитом с наличием тройной линии контакта графит/аустенит/расплав, но этот режим также может быть связан с образованием вырожденного графита. форма. Описание, сделанное в 13, соответствует рис. 2b, но результаты анализа показали, что переохлаждение основного пути затвердевания, ∆T _Gr , должно быть намного выше возможного переохлаждения для образования аустенита, ∆T _γ .

DAAS получил микроструктуру заэвтектического CGI ( a ) и график концентрации расплава C по мере затвердевания заэвтектического CGI ( b ).17

0 Full size image2 говоря, границы между доминирующими режимами затвердевания могут быть определены на основе анализа структуры отливки. Например, при доэвтектическом режиме образуется аустенитная взаимосвязанная сеть, а при заэвтектическом режиме образуется смесь крупных первичных графитовых конкреций с набором более мелких конкреций, образующихся во время эвтектического затвердевания. Количественное определение этих параметров требует применения специальных методов в дополнение к одному термопарному термическому анализу, который использовался в статье. были использованы для определения когерентности дендритов в доэвтектических SGI (рис. 4).18

Определение когерентности дендритов в доэвтектических ЗСГ методом двух термопар. 18

Изображение в натуральную величину затвердевание путем быстрой закалки медленно затвердевающего образца в крошечном кварцевом пробоотборнике, снабженном термопарой. Это исследование подтвердило режим затвердевания разведенной эвтектики без совместного роста графита и аустенита на фронте твердого тела/расплава. Частицы сфероидального графита были изолированы от расплава аустенитной оболочкой после ранних стадий кристаллизации (рис. 5).

As-polished microstructures ( a , c , e , g ) and etched microstructures ( b , d , f , h ) of specimens quenched при ( а – б ) 5 с, ( с – г ) 11 с, ( е – ф ) 26 с, ( г – ) 26 с, ( г – ) 26 с, ( г – ) 4 с 103 ч – 90 запущен (рис. 5 из 7).