автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Процессы графитизации и структурообразования в чугуне

Г Б ОД НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ

А8Г 1995 1шстшут проблзм литья

Кз правах рукописи

НЕШКО Иван Григорьевич

ПРОЦЕССЫ ГРАОИТПЗАЦИИ II СТРУКТУР00БРА30ВАШЯ В ЧУГУНЕ :

Специальность 05.16.01 - Металловедение и термическая

обработка металлов

А ВТОРЕФЗРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Киев - 1995

Диссертация на правах рукописи

Работа,выполненэ в Институте проблей литья Национальной Акадешк; Наук Укрэкна

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: х •.

доктор технических наук, профессор

ЛЮБЧЗНКО Анатолий Петрович ( ПО "Завод иы.Малнаэва"

г¿Харьков);

доктор технических наук, доктор химических наук, профессор ¿УКОВ Андрей Александрович ( ВГО, г.Викшщэ);

доктор технических наук, профессор /

LIAРКОВСКПЙ Евгений Адамович ( ППЛ HAH Украины, г.Киев)

ВЕДУЩЕЕ ПРЕДПРИЯТИЕ: Национальный технический университет ч "Киевский политехнический институт"

. Защита состоится " 14 " иЮА J 1995г. в /О час.

на заседании специализированного ученого совета Д 01.97.01 в Институте проблей литья HAH Украины по адресу: 252680, ГСП, г.К'лев-142, проспект Вернадского,34/1 , (

С диссертацией нокно ознакомиться в библиотеке Института проблем литья HAH Украины.

Отзывы, заверенные печатью, просим направить по адресу: 252680, ГСП, г.Киев-142, проспект Вернадского,34/1. институт проблей литья HAH Украины, телефон для справок: (044)444.-02-50.

Автореферат разослан " S " t/hOrtJj 1995 г.

Ученый секретарь специализированного ученого совета

докт.техн.наук ^ТТш^^^^ ЕЛ\ Афтандилянц

СЕДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Развитие машиностроения характеризуется непрерывным ростом требозаний к материала, их комплексу технологических и эксплуатационных свойств. Широкое распространение в машиностроении получил граФитизированный чугун, который по структуре является композицией стали и гранита (3-10 %), из-за чего он обладает такими эксплуатационными свойствами и их сочетаниями, которые в других литых и депортируемых сплавах достигнуть невозможно. Широкое распространение чугун получил также благодаря простоте и доступности его производства, хорошей технологичности.

Графитизированный чугун характеризуется хорошими антифрикционными свойствами с достаточно постоянным коэффициентом трения (граггит как смазывающий материал предотвращает схватывание материалов трущихся слоев), высокой способностью гасить вибрация, более высокой (в сравнении со сталью) теплопроводность» и др. Из граЛитизированного чугуна изготавливают коленчатые валы, цилиндры и поршневые кольца, шестерни, тормозные колодки и барабаны, трубы, тюбинги, изложницы, корпусные детали, станины и др.

Процессы графитизации (наряду с другими ¿газовыми превращениями) формируют структуру и свойства чугуна и поэтому представляют большой интерес как для науки, так и для практики получения этого материала.

Разработка технологии получения чугунов с шаровидным гранитом, высокопрочных цугунов, явилась одним из крупнейших достижений в совершенствовании металлических материалов на основе железа. Поэтому вопросы формообразования графита, механизма и кинетики процессов грасЬитизации, определяющих структуру графита и металлической основы и, в конечном итоге, свойства графитизированных чугунов, представляют огромный научный и практический интерес.

Наибольший интерес в теории гранитизации вызвали два вопроса: механизм Формообразования графита, познание которого позволило бы

упростить технологи» получения высокопрочных чугунов, расширить его производство, и "узкое звено", определяющее кинетику граспеткзации, познание которого позволило бы целенаправленно разрабатывать метода управления процессами графитизации чугуна, ускорять или замедлять. эти процессы в зависимости от желаемых результатов. По этил вопросам неоднократно велись дискуссии и, как считают многие исследователи, окончательно эти вопросы не решены, необходимы дальнейшие исследования.

Для чугуна с шаровидным графитом характерны повышенное предуса-дочное расширение (до 0,8 %) и дефекты усадочного происхсндения. Механизм предусадочного расширения не установлен и, следовательно, не обоснованы методы его предупреждения, как и методы снижения усадочных дефектов.

Не выяснены особенности кристаллизации половинчатых чугунов, когда в конечной структуре наряду с цементитом находится и пластинчатый графит (или другой форты), почему одни чугуны при незначительном переохлаждении отбеливаются, а другие - кристаллизуются без от-бела. В одних случаях иногда трудно получить структуры половинчатых чу1унов, в других - избавиться от отбела. Все это обусловливает необходимость изучения кристаллизации эвтектики чугунов, поиска возмож ных вариантов обоснования теплофизического воздействия на расплав с целью создания технологий, обеспечивающих стабильное достижение необходимых структур.

Легирование чугунов обеспечивает существенное изменение структуры и свойств чугунов, воздействуя на фазовые превращения, включая и графитизацио. Интерес представляет взаимосвязь величины параметра кристаллической решетки ск -Фазы и температуры о(. •+• ^ -превращения, корреляция между этими величинами, взаимосвязь между влиянием легирующего элемента на параметр кристаллической решетки с(-железа и температуру превращения. Последующее изучение и выводы из установ-

ленной взаимосвязи параметра решетки и температуры превращения представляют научный и практический интерес как вообще'для Фазовых превращений, так и в частности для железоуглеродистых сплавов в плане управления ¿язовыми превращениями, второй стадией гранитизации.

Большой интерес представляет изучение секторов сформирования бейнитных структур, позволяющих в чугуне с шаровидным грайотсм достигать самого высокого уровня прочностных свойств (I400-I6CÖ ЛЛа). Первостепенный интерес представляет выяснение причин распада переохлажденного аустенита в районе температур 500-250 °С по реакции

сА -г , где с* и )f'~ пересыщенные углеродом о(- и -f '-(тазы, и

почему перлитное превращение аустенита в этом температурном интервале не реализуется.

В исследовании использованы оптическая и электронная микроскопия, рентгеноструктурный, микрорентгеноспектральный и химический анализы, дилатометрия (эталонная и безэталонная), исследования на специально изготовленных установках (предуеадочное расширение, воздействия напряжений сжатия и растяжений), структурно-закалочный метод, расчетные методы при проверке физической возможности модели механизма процессов и др., а при разработке технологии и их освоения -эксплуатационные испытания.

Актуальность диссертационной работы подтверждается тем, что большинство представленных разработок выполнялись в соответствии с пла нал и важнейших работ по Постановлениям ГКНТ СССР № 415 от 18 ноября 1976 г., № 555 от 30 октября 1985 г.), ГКНТ Украины (№ 1-8 от 28 сев раля 1992 г., № 12 от 4 мая 1992 г., № 19 от 24 июля 1992 г. и др.), с планами НИР министерств (МПС, Мишиьмаш), с планами, утверждением Президиумом HAH Украины, а также в соответствии с указанием других директивных органов.

Достоверность научных результатов подтверждается комплексность» методов доказательства (аналитических и экспериментальных), технсло-

гическкх разработок - результатами о пыт н о - гтр смытал е н к ой проверки и эффективностью внедрения.

Представленная к защите работа является теоретически обобщением исследований в области крупной научно-технической проблемы - механизма и кинетики гранитизации чугунов, связанной с решением важной народнохозяйственной задачи - повышения технологичности, качества и прочности графит из кровакшх чугунов.

Теоретические разработки, представленные в диссертации, выполнены лично её автором. Диссертантом предложены идеи и разработаны методики проведения экспериментальных исследований и проведено большинство экспериментальных работ. Лабораторные работы по высокотемпературной рентгенографии выполнены под руководством и при непосредственном участки диссертанта. Эксплуатационные испытания и внедрение технологических разработок (тормозные колодки, стеклоск>рмы, поршневые кольца, детали сельхозмашин и др.) осуществлялись автором совместно со специалистами соответствующих ведомств и сотрудниками предприятий. За оказанную*помадь в выполнении экспериментальных работ сотрудникам лаборатории металловедения чугуна Института проблем литья HAH Украины и сотрудникам заводов, где проводилось внедрение технологических разработок, автор выражает свою признательность.

Обобщения полученных научных результатов и их публикация в большинстве случаев выполнялись автором (более 30-ти статей и 2 монографии). Статьи, написанные автором по технологическим разработкам, опубликованы совместно с соисполнителями этих работ по их внедрению. Иель работы. Основной целью работы явилось: - выяснение закономерностей процессов графитизации и структуро-образования и таких ei отдельных сторон как формообразование шаровидного графита, предусадочное расширение, температурная область кристаллизации стабильной и метастабильной эвтектики и Формирование половинчатых и структур без отбела, выяснение основных элементарных

процессов, опрелеяя-ощих кинетику первой и второй стадий: ции, установление взаимосвязи легирования и температуры -превращения, рос? -"/Гуна при тер/оциклировании (вышеуказанные вопросы теории гранитизации откосятся к изучения от ого процесса но всем его интервале температур - ст —1200 до 6С0 °С);

- исследование закономерностей тор.:ироЕания бейнитных структур грабитизированных чугунов, обеспечивающих максимальный уровень прочностных свойств;

- разработка гржгеткзирозакных чу Гунов с повышенными эксплуатационными характеристиками (окаяиксстойкостыо, износостойкостью, высокой прочностью и др.).

Научная новизна. Показано, что для Нормирования гратита шаровидной Форш глубокое районирование чугуна от поверхностно-активных элементов (в первую очередь от серы и кислорода) является не предпосылкой для последующего насыщения чугуна "ссероидизируацим" элементом (магнием или церием), а целью создания з сплаве такого £изкко--химического состояния, когда на крксталлизую-цийся грабит не воздействуют поверхностно-активные элементы. Избыточное содержание в расплаве "С(героидизирующего" элемента для кристаллизации шаровидного гранита необходимо, в первую очередь, дня нейтрализации остающихся в расплаве поверхностно-активных элементов. Привлечено к объяснению формообразования гранита ыежФазное состояние на призменных и базисных гранях кристалла графита, различие в смачивании этих граней рафинированным расплавом и с поверхностно активными элементами, различие условий перехода атомов углерода из расплава на эти грани гра-шэта, привлечено понятие "торча роста" и др.

Приведен расчет равновесной Формы кристалла графита и показано, что принцип, согласно которому кристалл растет с большей скоростью гранями с более зысокой поверхностной энергией, а ограняется гранями с низкой поверхностной энергией, к'включениям (зернам) графита в чугуне, которые являются пол«кристаллическими образованиями, не при-

менш.

Впервые показано, что предусадочное расширение чу Гунов, кристаллизующихся с образованием графито-аустенитных эвтекткк, является результатом выделения (роста) графита в аустенитных оторочках и дендритах и роста их после контакта граткто-аустенитных образований и формирования внутреннего каркаса затвердевающего расгиава вплоть до окончания кристаллизации всего расплава. Предусадочное расширение начинается при кристаллизации примерно 50-55 % расплава. При кристаллизации гранита шаровидной tf-ср.ш углерод кристаллизующегося расплава выделяется внутри аустенитного каркаса, расширяя его, тогда как при кристаллизации пластинчатого графита, кромки которого вростают в расплав, количество графита, выделяющегося внутри аустенитных образований, уменьшаемся за счет врастания графита в расплав.

Показано, что температурный 'интервал кристаллизации граФито--аустенитной эвтектики более широк, чем это следует из общепринятых диаграмм состояния Fe.-С с наложенными стабильным и метастабиль-ным вариантами. Предложено нижним значением температурного интервала кристаллизации грасгита пластинчатых форм считать температуру пересечения линий грасгита (СД) и цементита (С'д). При шаровидной rf-op-ме этот интервал ограничен температурой пересечения линии аустенита (ВС) и цементита (С'д'), что является одной из причин большей склонности этого чугуна к отбелу.

Анализ кинетики графитизации белых чугунов, роли отдельных элементарных актов этого процесса (зароЕдение, диффузия углерода, растворение цементита, сопротивление среды растущему графиту) показал, что узким и определяющим звеном кинетики графитизации на начальном этапе процесса является зарождение графитных включений и их малая удельная поверхность роста, на конечном - растворение цементита и перенос (диффузия) углерода. Линейная (радиальная) скорость роста графитных включений от начального периода к конечному только мень-

шается.

Показано, что процесс роста гранитного включения проходит путем врастания графита в металлическую основу и при наличии свободной полости, куда графитное включение только частично отодзигается. Из этого Пакта сделан вывод, что создание полости для растущего грабит а не может считаться звеном, существенно лимитирующим процесс гранитизации. Этот вывод бьш подтвержден и исследованием второй стадии гранитизации чугунов при всестороннем сжатии, растяжении, поверхностной граНитизации в вакууме, анализе зависимости скорости процесса от температуры, анализе структур гомогенизированных и негсмо-генизированных сплавов и др.

Обосновано, что причиной роста чугунов в защитных средах при термоциклировании и прохождении реакции А ^ Ф +Г наряду с диНИу-зионным врастанием граИита в металлическую основу за какдым цикле»! Нерритизации структуры является и гистерезис релаксации микронапряжений вокруг грамотных включений, обусловленных^^ У -превращением и образованием Фаз с различным удельным объемом, насыщением углеродом и обезуглероживанием. Показано и обосновано, что рост чугуна за один цикл больший у чугунов с компактной Нормой граИита, более прочных чухунов.

Методом высокотемпературной рентгенографии вскрыта корреляция меяду характером влияния легирующего элемента, образующего с железом раствор типа замещения, на параметр кристаллической решетки и температурой (равновесной) о{Г ^ У -превращения. Элементы, увеличивающие параметр кристаллической решетки с11\ (А?„, /V; л Си), поникают температуру этого превращения, а уменьшающие (Б/) - повышают;

превращение наступает при значении параметра кристаллической решетки

»

, равного ~ 2,9 А .

Показано, что переохлажденный аустенит ниже температуры пересечения продления линий О Р и не может превращаться по реакции

А /7 ( Ф U,) по термодинамическим и структурным причетам. При

этих температурах и кие вплоть до мартенситкого превращения аусте-

л ' ' ' '

нет распадается по реакции И -гЫ. + у , где cL - и -газы, пересыщенные углеродом.

Практическая полезность и реализация результатов работы. Теоретические разработки механизма и кинетики процесса гранитизации, роли легирующих и модифицирующих элементов были использованы при разработке составов чугунов, технологий модифицирования, термической обработки (высокопрочных чугунов, легированных чугунов для стекло-Форм, чугунов для тормозных колодок и дисков и др.). Разработанные технологии внедрены на заводах Киева, Львова, Харькова, Донецка, Москвы, Кишинева, Ферганы с 'экономическим эффектом более 3 млн. руб, по первичным эсМекта1.; внедрения и .ценам до 1987 г.

На защиту выносятся:

1. Результаты теоретического и экспериментального исследования основных закономерностей -процесса граггитизации, определяющих кристаллизацию шаровидного графита, кинетику первой и второй стадии гранитизации чугуна и таких процессов, обусловленных графитизацией, как предусадочное расширение и рост при термоциклировании.

2. Основные закономерности формирования бейнитных структур грабит изированных чугунов.

3. Разработанные чугуны и технологии их получения: комплексно-легированные (для стеклоформ), частично грабитизированные (износостойкие, фрикционные для тормозных колодок), высокопрочные чугуны широкого назначения.

Апробация работы. Представленные к защите материалы являются итогом более чем 30-летней работы, проведенной автором непосредственно и под его научным руководством сотрудниками Института проблем литья HAH Украины.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 21

конференции, на Конгрессе по металловедения и термической обработке, на 3-х международных семинарах и конференция, на многих республиканских семинарах и др. Тормозные колодки демонстрировались на международной выставке ¡келезнодорожнего транспорта и награждались золотой, серебрянными и бронзовыми медалями ВДНХ СССР.

Публикации. По теме работы опубликовано 3 монографии,. 60 статей получено 15 авторских свидетельств.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, изложенных на 203 страницах машинописного текста, 23 таблиц, 05 иллюстраций, библиографии из 166 наименований и 31 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В введении обоснована научная и практическая актуальность работы, сформулированы важнейшие задачи, которые необходимо было решить, сформулированы основные положения, вынос иже на защиту, приведены новые научные и практические результаты.

В первой главе приведены результаты исследования гранитизации чугуна при кристаллизации. Показано, что разработка технологий получения высокопрочных чугунов поставила основной задачей в металловедении чугуна изучение причин кристаллизации граНита шароведной Нормы.

За пятидесятилетний период накоплен большой экспериментальный материал по изучению Исрмообразования граИита в железоуглеродистых сплавах. Большой объем работ в этом направлении в Украине выполнили и разработали свои оригинальные взгляды (гипотезы, теории) на этот вопрос Бунин К.П., Таран-Жовнир Ю.Н., Любченко А.П., Горшков A.A., Григорьев И.С., Вслощенко М.В., Черновол A.B., Ващенко К.И., Сненсной Р.Л.,Куков A.A. и др. Существенный вклад в развитие наших представлений о кристаллизации в чугунах графита шаровидной Нормы внесли Александров H.H., Мильман B.C., Иванов Д. П., Гиршович Н.Г., Сидо-

ренко H.A., ¡¡¡апраксв И. А., Худокормов Д.Н., Михайлов A.M., Козлов

В.И., а также ученые западных стран ( Софронк .,Тодорой Р.П. :,;orro£h Н., Villicjss V.J., Be S.y A., Patterson V., Мс.Swain V. .К., Eates G.Z., Baylor К.Г., Yulff 3., h'erfurth К., Kinkoff Т., Vittmoser A., Hillert ii., Lux 3., ^arir-cek Б., Kaverian J. и др. Ц<-,-

„! ученный этпи.и исследователями экспериментальный материал, трактовка результатов, гипотезы и обоснования слукат основой дальнейших

разработок и усовершенствования наших представлений о Формообразовании графита, о кристаллизации графита шаровидной формы.

В числе основных Факторов, определяющих Форму растущего кристалла, называются особенности строения кристатлической решетки и анизотропия теплофизических и химических свойств кристалла, условия среды, в которой растет кристалл, примесные и поверхностно-активные элементы, влияющие по-разному на условия "питания" и рост различных граней кристалла. Оценки исследователей роли тех или других Факторов в формообразовании различны, но наиболее эффективно влияют (по

мнению большинства исследователей) поверхностно-активные элементы.

»

Была предложена гипотеза, согласно которой Форма кристаллизующегося графита в чугунах, выплавленных в атмосферных условиях без рафинирования и модифицирования, является результатом активного влияния поверхностно-активных элементов, а также требования среды и особенностей кристаллической решетки графита, и не является "равновесной" формой графита в келезоуглеродистом сплаве.

Кристаллическая решетка графита характеризуется тем, что в базисной плоскости между атомами действуют сильные ковалентные связи, между слоями - слабые металлические или силы Ван-дер-Ваальса. Это обусловливает то, что кристалл графита ограняется базисными гранями, в которых нескомпенсированы слабые металлические связи, и приз-менными, на которых нескомпенсированы сильные ковалентные связи. Равновесный кристалл является монокристаллом с минимумом свободной

энергии, что достигается как минимумом внутренних дефектов, так и такой огранкой, которая обеспечивает ему минимальнее значение поверхностной энергии на единицу объема кристалла.

Расчет равновесной Формы кристалла гранита без взаимодействия с внешней средой (т.е. в вакууме) требует точных данных об энергии межатомных связей и проведения сложных расчетов кривизны поверхности на участке ребер и углов кристалла. Проведен расчет соотношения размера кристалла между базисными гранями кристалла о. к размеру базисной грани & или 2 .(рис. /а. ). Принимая <£ор*у кристалла, приведенную на рис./а. , отметил, что равновесная <горма ограняющих призменных граней мтает быть искривлена до цилиндрической, что в последующем будет отмечено. Идея расчета заключается в том, чтобы найти такую форму кристалла графита (отношение а, к 2£ ), которая при значениях поверхностных энергий призменной ¿>п и базисной ¿¿Г граней обеспечивала бы кристаллу минимум поверхностной энергии на единицу его объема.

Объем кристалла Ь' - его поверхность 5 -Ьв^

и соответственно поверхностная энергия Еп - 6а£&„ При соотношении ¿г/<э„ - К отношение поверхностной энергии к объему кристалла определяется

Задача заключается в том, чтобы найти соотношение (X/2& при минимальном значении Еп/Ц для различных значений отношений ¿>( /¿п. Выразив а. через 8 находим

(I)

Минимальное значение отношения Еп/¿/ определяется минимальным значением выражения (I) в скобках, т.е. когда первая производная по переменной величине ё будет равна О , а вторая производная будет по-

л окот ель ней. Приравнивая 0=1 и заменяя & на X » дифференцируем и приравниваем к О .

с/Ео/Лх + кх) -О. Ы

Вторая производная выражения (I) при О положительная. Реиая уравнение (2), находи?.?, что

Таким образом, при равновесной (Торге кристалла взаимосвязь мея-ДУ В . 6п и ¿>и выражается ^ *

' ~ Эк*

При I) - I взаимосвязь мекду с^ и & определяется

а.-^г.

Так как поверхностные энергии на базисных и призменных гранях кристалла гранита в вакууме и различных средах (чугунах) существенно изменяют свои величину, был проведен расчет отношений /<?<?,

» и РАЯ различных значений ^¿к -

площадь поверхности базисных и призменных граней кристалла). Из отношений

/о,

(или й /2&) следует, что при ¿ь /¿п 0.5 равновесная форма кристалла графита долхна быть в ввде пластины с отношением длины к толщине > 2,33. Призменные грани такой пластины могут быть округлены. При этом и 2(э/<х изменяются несущественно. Если Зй = У1$п~(1пс1@> , то -

¿/а.

В случае

шестигранной призменной поверхности /£п = Зд'З ё^оё т.е. разница составляет л-14 %. В случае /<6п > 0,5 кристалл графита должен иметь Форму стержня с базисными гранями на его торцах (рис. 1с. ). Взаимосвязь 2£/с. и

¿//¿а

для равновесных кристаллов

приведена на рис. I о .

В сплаве на кристалл и его поверхностную энергию накладывается влияние среды и в расчетах равновесной формы необходил о учитывать не поверхностную энергия, а мекфазную.

Поликристаллическое включение грайита в чугунах, как и вообще пол«кристаллические образования - это неравновесные образования.

Соерокрисгалл - это результат кооперативного роста удлиненных кристаллов, "волокон", когда припасовкой боковых призменных граней уменьшается поверхностная энергия суммы этих "волокон" - кристаллов и призменньге. грани не ограняют сп-ерокристалл. Возможно, что свободная энергия с(?ерокрисгалла существенно меньше свободной энергии составляющих "волокон" в том случае, если бы они были разделены меяду собой. Но сгорчы роста - это не Формы кристаллов с минимумом свободной энергии и формообразование подчинено кинетике роста граней кристалла, условиям роста и зарождения.

В связи с тем, что в базисной плоскости кристалла гранита действуют сильные ковалентные связи, которые на два порядка сильнее слабых связей между этши плоскостями, монокристалл графита может ограняться только двумя типами граней: базисными и призменными. Эти грани в пространстве заншаат мекду собой ортогональное положение и поэтому нет вариантов, чтобы одна из граней в результате её ускоренного роста была выклинена, как это возможно в кристаллах других типов. Кристалл графита в чугуне растет с большей скоростью той гранью, в которой поверхностная (межфазная) энергия ншсе, и ограняется той гранью, в которой поверхностная (мекфазная) энергия выше, т.е. не в соответствии с принципом Гиббса-Кюри-ВульпЬа в отношении скорости роста и огранки равновесных монокристаллов. В сНерополикристалле графита реализуется только требование огранки гранями с самой низкой поверхностной (мекФазной) энергией. Это образование - сйерополикристалл, по-видимому, является единственным решением пространственной задачи огранки поликристалла гранями с наименьшей межфаэной энергией, если в монокристалле (как и в кристалле графита) сильные и слабые межатомные связи находятся в плоскостях, занимающих взаимное ортогональное положение, а монокристалл может ограняться только двумя типами граней.

Экспериментальная часть работ по изученга механизма Формообразования предусматривала исследование Форм графита в чугунах, различных по химическому составу, модифицированных различными элементами (, Си , Со. , Т в различном количестве и комбинациях по

различным тер^овременным выдержкам с перемешиванием и без него и т. д. Структура графита (рис. 2) исследовалась на оптическом (в поляризованном свете) и электронном микроскопах, исследовали рост пластичного графита, переведенного в расплав, в котором зарождается и растет графит только шаровидной форлы, трансформация графита (рис. 4) и др. При анализе экспериментальных результатов учитывались современные литературные данные по содержания модифицирующих и других элементов в графитных включениях шаровидной и пластинчатой форм, экспериментальные данные, выполненные на уникальном лабораторном оборудовании.

Гипотеза, согласно которой в чистых /\-Si- С -сплавах графит должен кристаллизоваться.шаровидной Формы, ранее не находила сторонников, так как многие исследователи к рафинированно сплава относились как к первой технологической операции, после которой в сплаве можно растворить модифицирующий элемент (до рафинирования это невозможно из-за реакции А?^, Се и других с 5 , <9 и образования шлаков), который затем с помощью разных механизмов, по представлению исследователей, создает условия для кристаллизации шаровидного графита. Трудности в прямом экспериментальном подтверждении этого положения заключаются в том, что поверхностно активные элементы могут эффективно влиять на формообразование кристаллов при их количестве в растворах от 0,0001% и более, и что графит, его аморфное состояние, является активнейшим адсорбентом. Но все же экспериментально установлено, что очистка — С -сплавов способствует кристаллизации в них -графита шаровидной Форш, и чем чище расплав, тем ниже критическая скорость кристаллизации, выше которой кристаллизуется графит ша-

ровидной (fcpibl.

Согласно этой гипотезе пластинчатая iop.ia гра£ита является результатом действия примесных поверхностно активных элементов, в первую очередь таких, как кислород и сера. Модифицирование, изменяя Физико-химическое состояние расплава, удаляя поЕерхностно-актизнке элементы из расплава, связывая их в соединения и сникая их поверхностную активность, создает такое Физико-химическое состояние, в котором сплав как бы становится рафинированным, чистым от поверхностно--аятивкых элементов. Возможно, что модифицирующий элемент, растворяясь в графите или воздействуя на границу раздела графит-расплав,своим прямым влиянием на кристаллическую решетку графита, его дислокационную структуру, способствует росту кристалла в виде волокон, объединяющихся в поликристалл шаровидной Формы, в сФеропаликристалл.

Изложенная гипотеза или теория Формообразования графита согласуется (не находится в противоречии) со всеми известными взаимосвязями между Формой графита и воздействиями на расплав.

Будучи в среде расплавленного железа, состояние межфазных границ на гранях графитного кристалла должно быть разным. Как показали измерения, рафинированный (модифицированный) расплав чугуна больше смачивает базисную грань, нерафинированный (содержащий S и О ) -призкенную. Величина межйазной энергии (смачивания) характеризует контакт расплава с кристаллом, энергетический барьер при переходе атомов из среды на кристалл и наоборот. Поэтому в рафинированном расплаве кристалл графита растет с большей скоростью базисной гранью ( Us > ifn ), в нерафинированном - призменной ( lf„ > lf£ }, что в конечном итоге и определяет различив в формах графита. В расплавах с различными поверхностно-активными и примесными элементами взаимосвязь "смачиваемость граней - форма графита" усложняется.

При Ъп>1)% кристалл приобретает пластинчатую форму, что и реализуется в чугунах, при if 5 > ifn - графитный кристалл должен бы

расти в виде цилиндра, Еодокна, ограняясь призменными граня.:и к только на концах - базисными гранями. Но такая высокая удельная поверхность кристалла, ограненная призменными граня;.:и (атомами с нескомпен-сированными ковалентными связями), термодинамически невыгодна. На базисной грани, на гранях раздела призменная грань-расплав зарождаются и растут новые кристаллы (волокна), расширяя базисные грани, уменьшая удельную массу призменных граней, превращая в конечном итоге кристалл в поликристалл, ограненный только базисными гранями, что возмокно только при шаровидной ¿орле поликристалла (рис. 3).

Дислокационная характеристика сФерополикристаяла граФита, состоящего из волокон графита, базисные грани которых выходят на поверхность, к расплаву, должна отличаться от характера дислокаций в пластинчатом тратте и, в первую -очередь, плотностью винтовых дислока-

»

ций, их ролью в росте кристаллов.1

На рис. 4 показан разрез пластины гра&ита серого чугуна, перенесенной в модифицированный. -С. -расплав с последующим её ростом в модифицированном чугуне, т.е. в измененных условиях. Базисная грань продолжила рост в основном только в отдельных точках, по-видимому, на месте выхода винтовых дислокаций, образуя вначале как бы "нояку" с последующим разрастанием, утолщением, а затем поликристаллический отросток, формируя графит по структуре, близкой к шаровидному.

Разнообразие условий кристаллизации и физико-хдаических состояний /ь-^'-С -расплавов, а также возможностей углерода в Формировании поликристаллических образований, особенностей структурного Фактора при эвтектической кристаллизации (когда призменные грани касаются расплава, а базисные покрыты аустенитом) позволяет признать задачу формообразования графита в - Б/ ~ С -сплавах, возможно, самой сложной в металловедении сплавов на основе железа.

С целью выяснения влияния завышенного количества магния, церия

и других модифицирующих элементов на Форму графита было проведено модифицирование ^ • -сгшава, в котором растворимость этих элементов значительно выше, чем в сплаве />_ --5/ - С . Увеличение количества магния в сплаве до о%, что в 50-100 раз больше, чем в чугунах с шаровидным графитом, существенно не ухудшает компактность граФита. Це-pitfi, как карбидообразувщий элемент, ухудшает компактность Формы графита (степень сфероидизации) и уже при его концентрациях > 0,3% эффективность сйероидизации графита снижается. Зтот Факт объясняется взаимодействием церия с нескомпенскрованными ковалентными связями атомов углерода призкеншх граней, сжкснием можфазноЯ энергия на этих гранях и улучшением условий их роста.

Предложенная гипотеза Формообразования графита допускает возможность поиска новых технологий получения тугунов с шаровидным графитом, основанных на управлении (изменении) Физико-химического состояния расплава. Так, в чугуне, обработанном Со. и Т, , как элементами активно взаимодействующими в /с— С -расплаве с серой и кислородом, в отдельных случаях в лабораторных условиях кристаллизовался графит шарозидной Форш (рис. 5).

Предусадочное расширение чугуна, и особенно кристаллизующегося с образованием графита шаровидной формы, сопровождается, если не обеспечено хорошее питание отливок, дефектами усадочного происхождения. Количество дефектов будет меньше, если жесткая Фаза не допустит реализации прэдусадочного расширения. Природа этого явления исследовалась многими учеными (Ващенко К.И., Чернобровкин В.П., Бар-бакадзе Д.В., Гветадзе Р.Г.,'Рыжиков А.Л., Гиршович Н.Г., йоф«!е А. Я., Софрони Л. и др.) и было показано, что графитизация в нем является главны;,! процессом, однако как развивается этот процесс и почему величина его, количество и объем дефектов усадочного происхождения бывает различен, установлено не было.

Исследование проводилось на чугунах с шаровидньм и пластинча-

ткм графитом. Кривые затвердевания (деформационные и температурные) записывали на установке Чернобровкина. Структурно-закалочным методом исследовалась кидко-крксталлическая зона затвердевающих образцов (рис. б). Было показано, что предусадочное расширение обусловлено ростом срастающихся графито-аустенитньгх ячеек за счет диФоузии углерода из расплава, выделения его на графитном включении, роста гранитного включения. Рост ячеек и соответственно каркаса затвердевающего слоя чугуна из этих ячеек обусловливает и увеличение размеров каркаса (рис. ?). Предусадочное расширение начинается сразу же при образовании каркаса, что происходит при кристаллизации ~ 50 % расплава. В результате кристаллизации остальной части расплава углерод из расплава переходит на гранитные включения, что и обусловливает их рост и предусадочное расширение. Из рис. 7 следует, что при шаровидном грабите углерод из кристаллизующегося расплава переходит на грабит, который находится в затвердевшем каркасе, при пластинчатой форме -часть углерода выделяется- на торцах гранита, что в меньшей степени изменяет размеры каркаса и соответственно сопровождается меныпш предусадочньы расширением. Проведенное исследование позволило установить основную причину предусадочного расширения - кристаллизацию последних порций расплава, выделение графита в образовавшемся твердом каркасе и увеличение размеров этого каркаса.

При решении такта технологических задач, как получение граФити-зированной структуры в тонкостенном литье (при высоких скоростях охлаждения), при получении половинчатых структур, содержащих эвтектический цементит и графит, требуется анализ условий формирования эвтектики и её температурного интервала кристаллизации.

Анализ экспериментальных данных и диаграммы /е-С позволил предложить вариант диаграммы, согласно которому определяются ДБа температурных интервала (рис, 8): Т,- _ область кристаллизации графито-аустенитной эвтектики, 71 - графито-дустенитной и це-

ментито-аустенитной. 7^ - температура возможного начала кристаллизации цементито-аустенитной эвтектики. Кике граФито-аустенитная эвтектика кристаллизоваться не может, хотя рост графита за счет растворения (гранитизации) цементита и продолжается. При кристаллизации графито-аустенитной эвтектики с шаровидным гранитом, когда гра-флсг изолирован от расплава, состав расплава изменяется по линии С С и в дальнейшем ниже линии С'С" начинает кристаллизоваться цементит. По этой причине чугун с шаровидным графитом склонен к отбелу, тогда как эвтектика с пластинчатым графитом может поддерживать расплав по составу в треугольнике СС С и без огбела кристаллизоваться при снижении температуры до .

Согласно экспериментальным данным, граФито-аустенитная эвтектика с пластинчатым графитом в технически чистых - С -сплавах кристаллизуется в интервале температур ( 7^ - ) до 60°С. Эвтектика Ае. - Б/-С -сплавов кристаллизуется в более широком температурном интервале, что подтверждается температурными кривыми затвердевания и микроструктурой чугуна тонкостенных отливок.

Проведение третьей линии на диаграмме /ч - С -сплава целесообразно при конкретных анализах кристаллизации графито-аустенитной эвтектики, формировании половинчатых структур и решении других вопросов теории кристаллизации и граФитизации чу туна.

Анализ кристаллизации эвтектики с шаровидным графитом позволил установить, что условия для обволакивания аустенитом графита шаровидной формы менее благоприятны (рис. 9), чем пластинчатой формы, графит и аустенит при этом растут порознь до величины включений графита ~ 3 мкм. Зто доказано закалочно- структурным методом кристаллизующихся расплавов тонкостенных отливок, а также оплавлением и кристаллизацией чугуна концентрированными источниками энергии. На рис. 10 показана взаимосвязь между степенью инокуляции (модифицирования) /V, временем начала обволакивания графита аустенитом "2" и

степень» кристаллизации (%Г) при значении критического размера шаровидного графита 2к. . Из этой зависимости следует, чем большее удельное число графитных включений (/v), тем в большей степени пройдет кристаллизации эвтектики (роста графита и аустенита) до начала изоляции граНита от расплава и, следовательно, ухудшения условий его роста. Для случаев, когда необходимо достигнуть кристаллизацию чугуна без отбела в тонкостенном литье (или в кокильном литье), подбирают состав чугуна с высокой суммой углерода и кремния (заэвтектичес-кий) с минимальным содержанием марганца и других элементов, стабилизирующих цементит, эффективно проводят граНит из ирулщее модифицирование и обеспечивают начало, кристаллизации расплава в период максимального зарождения центров гранитизации (до их снижения) и протекание процесса гранитизации до начала' изоляции графита аустенитом от расплава. Высокое удельное количество граНитных включений (Л) способствует и в дальнейшем прохождению процессов гранитизации (самоогки-гу), если частично-при кристаллизации образуется наряду с граНктом и цементит.

Во второй главе изложены результаты исследования первой (высокотемпературной) стадии гранитизации белых чугунов. Интерес к высокотемпературной стадии гранитизации белых чутунов обусловлен необходимостью ускорять эти процессы, сокращая технологический цикл получения ковких чугунов, отжига отбеленных чугунов, обоснованно проводить выбор химического состава чугунов и их легирование, достигая при этом необходимых Низико-хгемических свойств, не подавляя при этом процессы графитизации и др.

Для этого необходимо решить ряд таких теоретических вопросов, как механизм влияния легирующих элементов на процесс графитизации, определить "узкое звено" процесса граНитизации и механизм роста полости для растущего гранитного включения и др.

Большой вклад в изучение механизма и кинетики процессов граНи-

тизации внесли Гиршович Н.Г., Бунин К.П., Таран-Жовнир Ю.Н., Зубареа 3.§., Ткаченко Ф.К., Криштал i.'.A., Снекнсн Р.Л., ¡туков A.A., Баранов A.A., Богачев И.Н., Григорович В.К., Сильман Г.И., Тодоров Р.П. и др.

Исследование проводили в первую очередь с целью выяснения:

- основных Факторов, определяющих кинетику и длительность процесса;

- "узкого звена", т.е. того элементарного акта этого процесса, который и определяет кинетику процесса; .

- механизма роста полости для графитного включения.

Исследования проводились в основном на магниевых и цериевых тугунах, низколегированных отбеленных чухунах и низкскремнистых белых и половинчатых тугунах. Была показана необходимость различать скорость процесса, отнесенную к единице поверхности графитного включения в элементарном "дворике", и скорость, как обратную величину длительности до завершения процесса, зависящую от собственно скорости процесса и удельного числа графитных включений (/V). Сопоставляя характер кинетической кривой (рис. II) с основными возможными вариантами перепада концентрации углерода в аустените (А) между цементитом (¿4) и графитом (Г) (рис. 12), установили, что скорость процесса графитизации в её элементарном выражении, отнесенная к единице площади раздела графит/металл (¿/¿» d^/dT), является Функцией движущей силы процесса, зависящей от перепада концентраций С,^ — САГ (рис. 12) и величины сопротивлений на участках растворения цементита в аустените, диффузии углерода в аустените и выделении из аусте-нита на графит, изменяющих свое значение при развитии процесса.

Скорость процесса графитизации в её суммарном выражении, отнесенная к единице объема граФитизируемого белого чугуна, зависит как от 1/э, d>»/c/T> так и от удельного числа графитных включений в единице объема (Л'), также изменяющихся во времени, особенно в начальный период развития процесса ( А' - • 2г - ).

3 начальный период графитизации сопротивление со стороны процесса растворения цементита Су) миткальное и со Бременем в связи с уменьшением (в большинстве случаев) поверхности растворения и изменением химического состава по элементам, стабилизирующие цементуя и графит из ирующим, как в цементите, так и аустените в контакте с цементитом, сопротивление процессу (/?;>) увеличивается. Условия диффузионного переноса углерода от цементита на графит из-за изменения диффузионных путей от цементита к графиту со временем в общем ухуд-шаотея, т. е. сопротивление процессу графитизации со стороны этого элементарного акта увеличивается.

Анализ роли сопротивления процессу на этапе роста графита (Як), т.е. на границе раздела граФит-аустенит за счет сопротивления среда растущему граФиту, за счет медленной скорости роста (кристаллизации) графита или других причин, в отличие от /?/» и $$ значительно сложнее. Это обусловило появление теорий, определяющих этот элементарный акт лимитирухнцш и определяющим в целом кинетику процесса как в её элементарном выражении (отнесенной к единице поверхности или к единице включения графита), так и к единице объема.

Анализ эависшости

■Ц _ С А и, ~ С\Г__(3)

* К? 1- + Як }

где к - коэффициент, согласующий размерности 2Д, концентраций и величины сопротивления, позволил сделать следующие выводы:

- на начальном этапе процесса графитизации значение скорости графитизации в единице объема чугуна лимитируется поверхностью выхода углерода на графит из-за малых величин включений графита ("2 ) и количества включений (/V) в единице объема;

- на конечном этапе процесса лимитирующим звеном является растворение цементита (/^ ив меньшей степени диффузионный перенос углерода от цементита к графиту;

- ка этапе установившейся скорости процесса и её максимального значения лимитирование скорости процесса переходит от роста гранитного включения (#«) к растворению цементита (/ч^) при существенном слиянии диффузии углерода.

Увеличению скорости процесса способствует понижение термодинамической устойчивости цементита в аусгените (повышение содержания в нем кремния), что в свою очередь повышает величину движущей силы диффузии (СДц- СЛГ ) и уменьшает сопротивление со стороны растворения цементита (Ачг>). 3 первом приближении можно допустить (без учета гистереэисных явлений), что процесс реализуется так, что количество растворяющегося углерода в аустените при диссоциации цементита, количество диФФундируемого углерода от цементита к графиту и количество выделяющегося углерода на графит (отнесенных к единице площади графита или одному графитному включению) равны между собой. Величина этого потока устанавливается в соответствии с выражением (3). В установлении величины скорости процесса участвуют все элементарные звенья. Наиболее эффективно влияет на скорость процесса (замедляет) то звено, которое оказывает процессу наибольшее сопротивление. Легирующие элементы вляют на стабильность цементита, что определяет величину движущей силы процесса (Сдц-С^г) и величину сопротивления процессу - /?р . Скорость графитизации в единице объема зависит от скорости зарождения и удельного количества графитных включений (А), в свою очередь зависящих от модифицирования, легирования и микролегирования, от дисперсности исходной структуры белого чугуна (скорости кристаллизации) и т.п.

Карбедообразующие элементы, такие как 17 , Нр- , не стабилизирующие С , в малых количествах способствуют графитизации при кристаллизации и при отжиге, в'основном увеличивая значение Л/.

В результате микроликвации 5/ и Сг (Сг- в цементит; £/ - в аустенит) в некоторых случаях может формироваться структура белых

чугунсЕ, содержащих стабильный цементит, но при высокотемпературной выдержке этих чугунов в среде кремнистого аустенита, вза^сдействке аустенита и цементста обусловливает растворение и частичную гранитизацию стабильного цементита.

Наиболее сложным в теории гранитизации оказался механизм роста полости для графитного включения и соответственно анализ величины Як в выражении (3). Признав К к лимитирующим и самым медленным элементарным актом гранитизации, а механизм роста полости - накоплением вакансий кристаллической решетки ^-келеза - анализ выражения (3) должен быть проведен с акцентом в первую очередь на величине , которая должна быть во много раз больше суммы ^ и ^ и не должна коррелировать с движущей силой процесса. Поэтому в некоторых работах по теории графитизации зависимость (3) и не анализировалась.

Микроструктурный анализ поверхностных слоев образцов белых чугунов , граНотизированных в вакууме, показал однозначно, что зародившееся графитное включение на поверхности образца частично врастает в аустенит, а частично выталкивается, т.е. растет в ввде выступа на поверхности металла (рис. 13). Врастание включения в металл может быть объяснено только диффузионным ростом полости для графитного включения. Наличие выступающей над поверхностью части гранитного включения является результатом возникающего давления между металлом и графитным включением. Объем выступающей части должен равняться той части объема, которая не обеспечивается диффузионным механизмом. Соотношение этих объемов выступающей и вросшей частей граФита для исследуемых чугунов с ~ 2,5% 6/ в пределах 0,2-0,8. Такие «е результаты получены и при графитизации белого чугуна внутри трещин образцов.

Эксперименты подтвердили работу диффузионного механизма роста полости для графитного включения, однако не как механизма, определяющего кинетику процесса. Возможно, что для белых чугунов, близких

по химическому составу к нехрафитизируемым, роль диффузионного механизма роста полости может быть и определяющей.

Известно, что повышение температуры граФктизируащего отжига выше 950°С приводит к ускорению граФитизации, ухудшении Форлы графитных включений ("углерода отжига"), к снижения прочностных свойств ковкого чугуна. В выполненных работах было показано, что графитные включения разрастаются по границам зерен и это особенно эффективно проявляется в чугунах, содержащих .> 0,23% Р и при температурах выше температуры плашгения ФосФидных эвтектик 970°С. Микроскопический анализ не показал непосредственного влияния расплавленной эвтектики (рис. 14). Повышение содержания фосфора к температуры граФитизирующего отжига на его начальном этапе высокотемпературной выдержки ~ 970°С предложено реализовать при получении частично гра-фитизированных низкокремнистых чугунов для случаев, когда прочностные свойства чугуна не являются определяющими в их эксплуатации.

В третьей главе приведет результаты исследования кинетики второй стадии графитизации чугунов. Вторая стадия графитизации ( А -» ф 1- Г , Ц — Ф г Г ) при температуре ниже эвтектоидной или в интервале эвтектоидных температур частично или полностью преходит в большинстве графитизированных чугунов при остывании отливок в Форме, на воздухе или при термической обработке. Интерес к ней обусловлен также и тем, что при необходимости получения перлитных структур требуется разработка таких составов чугунов, чтобы при кристаллизации сплав графитизировался и кристаллизовался без отбела, а при прохождении температур эвтектоидного превращения граФитизация не проходила бы и реализовалось превращение Л -*Г7 .

Вторая стадия графитизации по реакции А Ф-г Г не содержит такого элементарного акта, как растворение цементита, что позволяет в анализах сложного процесса исключить один неизвестный параметр и решать задачу с двумя неизвестными: Л? с и . При исследовании ме-

ханиэма и кинетики второй стадии гранитизации использовали метода

микроскоп::«, дилатометрии, структурно-закалочный метод, рентгено-

\

структурный, исследовали графитизацст под всесторонним сжатием, при одноосном растяжении, поверхностную графитизацга в вакууме, графитизации на образце с установившимя градиентом температур и др. Проведен теоретический анализ взаимосвязи отдельных элементарных актов процесса графитизации и кинетической кривой процесса, взаимосвязи температуры и скорости процесса, роли микронеоднородности в Формировании микроструктуры и др. Исследования проводились на чугуках с шаровидным графитом и ковких.

Теоретический анализ процесса графитизации с целью выяснения величин сопротивления процессу на границах раздела /Г к ^ /Ф (рис. 15} проведен для случаев параллельного и радиального диффузионных потоков. Взаимосвязь толщинй ферритной оторочки (х) для случая параллельного диффузионного потока у поверхностной графитной плены и длительности процесса (<7) выражается зависимостью Х*" = 2 , для случая радиального диффузионного потока

г\/ч„ - + =з<х'ь (4)

где 2.г и 1<р - радиусы графитного включения и ферритной оторочки.

Подстановка экспериментальных данных толщин ферритных оторочек в эти зависимости позволила установить, что значения О. , которые отражают значения перепадов концентрации углерода в Феррите^ отличаются между собой для случаев параллельного и радиального диффузионных потоков не более чем на ~ 1%, что находится в пределах значений экспериментальных ошибок. Из этих данных сделан вывод, что рост графитного включения или полости для него не является определяющим в кинетике процесса графитизации.

Роль сопротивления среды растущему графиту в кинетике процесса А Ф ч-Г исследовалась на образцах, подвергнутых в период прохождения этого превращения одноосному растяжению и всестороннему ежа-

тга. Ka образцах, подвергнутых растяжения вплоть до разрушения образцов, не было установлено ускоряющего влияния на процесс гранитизации этого ввда воздействия. Всестороннее сжатие образцов во время прохождения реакции А -* Ф Р при охлаждении отразилось на скорости гранитизации. На рис. 17 приведены результаты этого исследования на образцах одной плавки при разных скоростях охлаждения. Аналогичные зависимости были получены и для других плавок (рис. 18). Обработка этих данных - экстраполяция на уровень 200 МПа (рис. 19), как если бы такое давление препятствовало процессу за счет необходимости раздвижки матрицы при избыточном давлении на образец Р* -показывает, что сопротивление среды растущему графиту уменьшает количество феррита в структуре не более, чем на 1055.

■ Е-езэталонная дилатометрия на дифференциальном дилатометре с образцом, в котором реакция А ф Г проходит впервые, и образцом, подвергнутым ранее термопиклированио и росту полости дня графитного включения больших размеров, чем занимает графит, не выявила ускорения процесса во втором образце в сравнении с первым и в них дилатометрические эффекты были практически одинаковы.

Если бы кинетика определялась не движущей силой процесса, зависимой от С9а — СрГ., а от сопротивления среда или самодиффузии железа, то с понижением температуры скорость процесса должна замедляться, а ока увеличивается, что доказывает о решающей роли в кинетике движущих сил процесса. В пользу этого вывода свидетельствуют и результаты анализа микроструктуры, формы ферритных оторочек в чугунах, в которых реакция А -г Г проводилась очень медленно и ускоренно, но прошла не полностью. В первом случае .Феррит рисует участки с повышенным содержанием кремния и расположен не всегда возле графитных включений, места стока углерода, а во втором - только возле графитных включений, где успела пройти эта реакция.

Все эти экспериментальные данные подтверждают, что реакция

'Л'"/. ш WÀ 1 Wk а Л {II! _ Г к -Ol

-r-f

Рис.//

Рис. il

Рис. 15

ХФ

Рис. /б

Рис. 17

р. ü'.Wa

Рис. 18

Рис.27 Рис.31 РчС 29

\

"...

р Щ 1 _ ^ А

л

i»

ас

isc

— lili

ы

/

f $

Í

Рис. 19

Рис.20

Рис. 21

г:: c'jj

г::

-к

JN , / N , / V г

/ \г<

\ \ ч

\

"il г м

W

т. .

/

.т

т, т,

W.

тД:т. т.

Рис.гг

Рис II

1 1 ! 1 ! •( 1

1 1м 1 1

11'-" h' i

U>/V i j

¡

1 V. Г-.Л !

1 t !

.! ¡ j 1

1 1 1 i

¡ 1 1 I !

* Г 'i i i

h

vw

!

Р»с 31

,4 ф -е- Г проходит со скоростью, л им ит яру ем ой доставкой углерода от <4 к Г через Феррит, а в ряде случаев при медленном охлаждении - и через аустенит.

Гратптизация эвтектоидкого цементита в чугуне гомогенизированных образцов проходит практически одновременно как в участках возле графита, так и вдали от него. Этот результат мскет быть объяснен только при допущении, что узким звеном процесса является растворение цементита, а в се рр иг ной Фазе перлита во всем объеме перлитных зерен (колоний) концентрация углерода ниже равновесной С^ц и весь углерод растворяющегося эвтектовдного цементита "успевает" выделиться на графитных включениях (рис. 20).

Анализ процессов графит из ац и и о районе температур эвтектоидкого превращения по реакции 'АГ и Ц-?Ф-+Р приводит к выводу, что легирующие элементы,'включая кремню!, влияют на кинетику процесса, воздействуя на термодинамическую устойчивость Фаз, принимающих участие в этом превращении (А, и, ). Устойчивость Фаз и определяет величину перепада концентраций С^ — С^р и

- Ср,-(ияи активностей углерода). Устойчивость Фаз проявляется на кинетике распада (растворения) эвтектоидного цементита. Превращение аустенита на феррит, у -превращение не только не сдерживает процесс, а и инициирует его.

О том, что тленно превращение У обусловливает эвтекто-идное превращение, следует из ряда превращений аустенита, реализующихся при понижении температуры процесса. При температурах эвтектоидного превращения, когда дзижущая сила с<. -превращения еще не велика, процесс успевает проходить и углерод из

аустенита переходит (диффундирует) на графит, аустенит превращается в -Фазу, Феррит. При понижении температуры процесса движущие силы у —> о<_ -превращения увеличиваются и этот процесс превращения реализуется путем вытеснения из раствора углерода и образования це-

менгкта, требующего меньших дифНузконных путей, формируя структуру перлита. Дальнейшее понижение температуры (45С-Я50°С) сопровокдает-ся выделением ¡^ -Пазы, пересыщенной углеродом, а углерод переход:;? в соседние участки аустенита, повышая его устойчивость до такой степени, что при дальнейшем охлаждении до комнатных температур Нормируется структура из с< - и у -гтаз, пересыщенных углеродом к называемых бейнитом. При температурах ¿200°С аустенит бездиННузион-но превращается в мартенсит, также представляющий собой пересыщенную углеродом тетрагональную о1 -тазу. Как следует из этого ряда превращений, общим актом превращений на атоаном уровне является % -г сС -превращение, а углерод занимает все менее и менее стабильно е состояние г у - пересыщенные углеродом, с<- пересыщенный раствор-мартенсит). ,

Изложенный выше подход в анализе движущих сил процесса гранитизации и других процессов (перлитизации, бейнитизации, закалке на мартенсит) является принципиальным в термодинамическом отношении, где первостепенная роль на второй стадии гранитизации (как и других процессов) отводится не углероду, а -> =4. -превращения.

В диссертации приведена результаты исследования механизма влияния легирующих и примесных элементов на характер эвтектоидного превращения.

Влияние легирующих элементов на X ¿г -превращение не монет не отражаться на величине межатомных расстояний в кристаллической решетке и о1 -фаз, в том числе и на их значении при критических температурах, графитизации или аустенизации А Фч-Р . Исследование проводили на ионизационной рентгеноструктурной установке УРС--50И с высокотемпературной приставкой ГПВТ-1500. Съемку проводили в характеристическом ^-излучении железного анода методом отршке- . ния от шлифа. Интерференционные линии регистрировались сцинтиляци-онньм счетчиком МСТР-4 и через пересчетное устройство потенциомет-

ром ЗПД-09 1/10 МЗ й-.:-: с провал и на диаграммной ленте. Исследовали железоуглеродистые сплавы, содержащие 4,0-4,4% углерода и 1,42; 2,50; 3,48 и 4,6 кремния, а также 0,175; и С,51% Си , 0,1355; к 0,Ы%Мо , 2,6% Ь, и 1,18 ^Ь , 2,52й Ь/ и 1,45Сг и граФитизировак-ше чугуны, химический состав которых в ряде случаев и не определяли. Уже первые определения параметров решетки оС-Фазы показали, что оС-ь Г у -превращение проходит так, что при повышении температуры процесса (процесс проходит в интервале температур) параметр остается неизменным (рис. 21).

Установлено, что элементы, образующие с железом раствор замещения и понижающие параметр кристаллической решетки (5.'), повышают температуру .)' -превращения, повышающие - (АЛ;, /V; , £") -

понижают температуру, а превращение проходит при достижении значения параметра кристаллической решетки о( -Фазы, равным 2,899-2,9004

Эта закономерность соблюдалась на исследованных низко- и сред-нелетированных, тугунах (до 2-4% легирующего элемента). Ранее установленная эмпирическая зависимость

£'С = 738 -20Л', -ЮСи~^(п>п-/7ъ),

по которой можно определять расчетным путем температуру превращения ( + Г -у у ) гомогенизированного чугуна, нашла свое Физическое объяснение.

Анализ этой взаимосвязи позволил дать Физические объяснения зависимостям степени легирования, параметра <к -Фазы, роли ликвации, температуры ср + р^ Д -превращения и установить, что

Т Т л ^9С0(5) ■ = ° '

где / - температура превращения А ; 1~0 - комнатная тем-

пература; (х - параметр ск -Фазы при Та ; параметр о(.-Фазы не-

легированного сплава при ~Т0 ; £ - коэффициент термического расширения. Эта зависимость позволяет рентгенографически (при комнатной

температуре) определять температуру <>. /' — У -превращения.

На рис. 22 приведена схема зависимости параметра кристаллической решетки о( -фазы от температуры нелегированного (I) и легированного чугуна элементами, уменьшающими (2) и увеличивающими (3) параметр кристаллической решетки. Схема изменения величины параметра кристаллической решетки оС-5-азы (среднее значение Ь ) негомогени-зированного легированного чугуна в районе температур превращения оI г Г ¡Г при нагреве от I, до I? приведена на рис. 23. Интервал значений параметра кристаллической решетки сЯ. -фазы С<_г,— обусловлен ликвацией легирующих элементов.

Экспершентального материала недостаточно, чтобы аналогичные выводы о взаимосвязи а и'Т сделать и в отношении легирующих элементов, образующих растворы типа, внедрения, больших количеств легирующих элементов ( > 5$), для других превращений (например ¿'+Г-? -»э»с по линии ЗЕ диаграммы - С и др.).

В четвертой главе приведены результаты исследования Армирования металлической основы граНитизированных чугунов. Изучение процессов гранитизации косвенно является такие и изучением условий Нормирования их металлической основы. Если при кристаллизации чугуна графитизация завершилась полностью, в структуре чугуна не мокет быть ни первичного, ни эвтектического цементита. При температурах эвтектоидного превращения, превращение А -?Ф + Г гарантирует ферритнуга структуру, а частичное прохождение этой реакции - Ферри-то-перлитную структуру. Полнота графитизации белых или половинчатых чугунов при высокотемпературной стадии графитизации и второй стадии графитизации также соответственно определяет структуру металлической основы в отношении наличия первичного и эвтектического цементита и количества феррита.

Дисперсность перлита, структуры закалки и отпуска чугуна определяется скоростью охлаждения, температурой и длительностью от-

пуска и другими параметрами рекима термической обработки, характером превращения аустенита, мартенснтного превращения, протеканием процессов с-тпуска. 3:ти превращения аналогичны превращениям аустенита в сталях, достаточно изучены и поэтому, по-видимому, исследуются на чугунах в меньших объемах.

Ьейнитное превращение аустенита в графитизированных чугунах с шаровидным графитом стало объектом глубокого исследования специалистов, изучающих гра.Фит из «реванше чугуны, потому что нестабильность цементита, склонного графитизироваться, внесла свой вклад в особенность бейнитного превращения, обеспечивающего самый высокий уровень комплекса прочностных и пластических свойств материалу.

механизм бейнитного превращения исследовали С.С.Етейнберг,

B.Н.Гриднев, З.Д.Садовский, А. ГТ.Гуляев, А.С.Завьялов, Ы.Н.Кунявск/,Й,

C.Г.Бсбро, А.А.Жуков и др. Б последние годы Сейниткые чугунк с шаровидным графитом исследуют многие зарубежные исследователи (Sofror.il., Сох G.J., Ikhlef A., Caspera К.-К., Eobrig К, Janovak J.F., DorazilS., Kovass В., Jal-.arsson li.t Tas. Eir.-Jur!, Taraba "uichi, F.iposar. J.«d<\)#

Объектом исследования выполненных автором работ были чугуны с шаровидным графитом нелегированные (%, мае. С - 3,3-3-8; Si- 2,0-3,2; М>т- 0,3-0,6) и легированные до 0,5$ Си , 0,2-0,455 «о , до I,2&/V, . Наряду с установлением взаимосвязи химического состава чугуна, параметров режима термической обработки и механических свойств изотермически закаленного чу1уна (бейнитного чугуна) были получены нозые данные, относящиеся к механизму этого превращения, в первую очередь причин приостановки' перлитного превращения.

Электронная микроскопия и рентгеноструктурный анализ позволили установить, что бейнитные структура граФитизированных чугунов состоят из двух Фаз: Ы. - и У -Фаз железа, пересыщенных углеродом. Повышение длительности этого превращения приводит к выделения кар-

бедов в пересыщенной углеродом о(-Фазе, а затем и к распаду с -Фазы на <Л -Фазу и карбвд. Пересыщенная углеродом ¿¡'-Фаза устойчивая' и для её превращения требуются десятки часов выдержки при 0-

350 °С.

Анализ превращения переохлажденного аустенита в промежуточной области температур показал, что перлитное превращение может.реализоваться только в интервале температур пересечения линией ¿5 и её продления линий Р-5К и ОР диаграммы А. - С (рис. 24). Пересечение продления линии £5 и ОР является критической температурой, ниже которой карбвд (цементит) не коже? расти в аустените, так как он будет изолироваться от него с< -фазой. Ниже этой температуры переохлажденный аустенит превращается по тем же законам, что и на участке диаграммы /ч-С, ограниченной треугольником йР£ , т.е. часть £ --железа превращается в е<-железо, а в оставшейся части ¿'-железа концентрация углерода повышается до линии С/5, или её продления, пересекаемой изотермой этого превращения. На рис. 25 показано, что при

Тг (область бейнсткого превращения) равновесная концентрация углерода в Феррите на границе контакта с аустенитом ( й'-Фазой) - линия

1 - выше, чем равновесная концентрация углерода в аустените - линия

2 - на границе контакта с цементитом. Это значит, что аустенит в контакте с цементитом превратится в о(-фазу и цементит окажется изолированным от аустенита. В такой ситуации условия для зарождения и роста цементита в аустените ограничены, что и реализуется превращением аустенита на Ы. -Фазу, пересыщенную углеродом, и повышением концентрации углерода в оставшейся части аустенита. При более низких температурах - ниже продления линии ОР для данного состава аустенита (рис. 24) аустенит бездиФФузионно превращается в пересыщенную углеродом ск -Фазу железа - в.мартенсит.

' Проведенный анализ механизма формирования бейнитных структур, верхнего (рис. 26) и нижнего бейнкта (рис. 27) позволил выяснить и

ряд других вопросов, относящихся к с-ормосбразовангсэ включений сА --стазы, причин устойчивости ^-тазы, высокой прочности к пластичности бейнитных чугунов и др.

Процессы гранитизации чугунов в условиях эксплуатации сопровождают и изменение свойств чугуна и кмепт при этом ряд своих особенностей, не рассматриваемых обычно з технологических процессах получения чугуна. К таким особенностям процесса следует отнести рост чугуна при термоциклироваиии и процессы в трущихся слоях Фрикционных чугунов.

Механизм роста чугунов при термоциклировании исследовали и в значительной степени раскрыли К.П.Бунин, А.А.Баранов, Э.Д.Глебова и др.

Анализ полученных данных проведенного исследования показал, что причинами роста чугуна, кроме внутреннего окисления чугуна, графитизации остатков, имевшихся в структуре чугуна первичного, эвтектического и звтектоидного цементита, являются два основных процесса: I) частичное врастание граНита в металлическую основу при имеющихся порах между граИитным включением и металлической основой чугуна и так км образом увеличение объема пор на месте гранитного включения с увеличением количества циклов & ** Г ; 2) гистерезис деформаций при превращениях А ф Г в связи с тем, что эти превращения сопровождаются образованием Паз С Ы. и У ) с различным удельным объемом, а деформации в большей степени реализуются от напряжений растяжения, чем сжатия. Процессы в элементарном объеме (дворике) с одним графкггным включением в центре при превращениях А СР + Г можно рассматривать как химико-термическую обработку металла, последовательное многократное обезуглероживание и науглероживание металла, в котором создаются градиенты концентраций и напряжений между фазами и, соответственно, деформации. При химико-термической обработке поверхностей металлических деталей происхо-

др.т деформации, приводящие к изгибам и изменения Ф-орм детали, при химико-термической обработке внутренних пор в металле - деформации сопровождаются ростам поверхностей пор, ростом объема пористого металла.

Процессы в трущихся слоях цугунов тормозных колодок, через который проходят десятки и сотни тысяч тонн чугуна, во многих"случаях сопровождаются гранитизацией, когда трущийся слой чугуна нагревается до температур более ^800°С. При использовании в качестве материала тормозных колодок частично граФит из кро ванно го чугуна (рис.28) в структуре которого наряду с графитом содержится от 5 до 2055 структурно свободного цементита, цементит, как и весь металл трущегося слоя (0,05 до 0.3 мм), деформируется, процессы диффузии резко

ускоряются, металл обезуглероживается и графитизируется (рис. 29),

%

а разогрев металла до температур выше критических и ускоренное охлаждение сопровождается Фазовыми превращениями и изменением структура металлической основы. Металл трущегося слоя существенно отличается от исходного, характерного для тела колодки. Кроме того, в период торможения, последующего разогрева и охлаждения металла его Фрикционные свойства изменяются (в связи с изменением твердости металла как функции температуры). Были исследованы механические свойства частично графитизированного чугуна (рис. 30), взаимосвязь твердости и прочности (а) и твердости и ударной вязкости (5 ).

Проведенное исследование микроструктуры трущегося слоя чугуна образцов, испытанных на лабораторных установках, и тормозных колодок, прошедших эксплуатационные испытания на магистральных и маневровых локомотивах, позволило выяснить причины преимущества менее дисперсных структур перед дисперсными структурами чугуков, отливаемых в кокиль, и получить ряд других полезных инФормаций.

•В пятой главе приведены результаты разработки графитизирован-ных чугунов и эффективности их использования. Результаты выполнен-

ных исследований наиб алее эс-'-е;:тивно были использованы при разработке чугуксз п технологий их получения (легкрсзанкл, модк"'/щ:рс-вгния и термической обработки) для стеклоторм, тормозных колодок, чугунов с шароведным графитом и бейниткых чугунов.

К ч/ГУнам стеклоформ предъявляются требования определенных уровней окалиностойкости, теплопроводности, термостойкости, мелкозернистости, высокой температуры прилипания стекла ( ~ 550°С), хорошей обрабатываемости и полируем ост и,- недеФишячюсти легирующих элементов и др. Чугун с этим комплексе« свойств может быть разработан только при условии знания механизма влияния отдельных легирующих элементов на каждое из вышеуказанных свойств, на склонность к стбелу и граФигизацки как при кристаллизации, так и при отжиге. Например, титан (карбидообразующий элемент) в количествах С,2-0,3:« в этил чугунах повышает склонность к граФктизации при кристаллизации, способствует получению мелкозернистой структуры, точечного графита (междендритного расположения), повышенио окалиностойкости и износостойкости в режиме полировки и др.

Разработанные чугуны, легированные хромом (до 0,4%), никелем (до 0,7%), титаном (до 0,ЗЙ), ванадием (до С,15%) и для некоторых стеклоформ молибденом (до 0,4 %), отливаемые в песчано-глинистые формы с установленными холодильниками, внедрены н' Кишиневском стекольном заводе (1975 г., 88 тыс. руб), Ферганском стекольном заводе (1531 г., 48,5 тыс. руб.). Чугуны других составов (для Форм изделий из жаростойкого стекла и электроннолучевых трубок, кинескопов) внедрены на МереФянском стекольном заводе и Львовском заводе кинескопов (1971 г., 35 тыс. руб.).

Трудности разработки фрикционного износостойкого частично графит из ированного чугуна (применительно к тормозным колодкам железнодорожного транспорта) обусловлены тем, что в литом состоянии для получения половинчатых структур в теле колодки (рис. 31) необхода-

ко строгое соблюдение технолога: плавки, химического состава по крегння с точностью до и др. После изучения г?их условии была

разработана технология, предусматривающая, сшивку чугуна бельм (-.¡ли половинчатым) с последующи;.! проведением частичного графит из иру-още го отжига, чтобы в микроструктуре чугуна содержалось (оставалось) 5-20 % цементита. Был разработан химический состав чугуна и режим граФи-тизирующего отжига, что обеспечило стабильность технологии изготовления тормозных колодок высокой износостойкости с хорошими другими характеристиками этого материала (стабильность коэффициента трения (рис. 32), понижение износа бандака и др.).

В таблице приведены результаты эксплуатационных испытаний локомотивных тормозных колодок.

Серия локомотивов Число колодок, шт. Твердость чугуна, 1В Увеличение срока службы, раз ;>!есто испытаний , депо

ТП.*6А 26 311-331 б Макеевка

ЧМ35 20 302-320 5 Дарнкиа (Киев)

ЧМЗЗ 5000 220-300 3 Люблино (Москва)

ТЭМ I, ТЗЗ 4000 285-311 3-5 Лихоборы (тосква)

ВЛ 60Н 400 220-300 1,7-2 Казатин

Маневровые тепловозы 500000 220-320 2,5-3 Данные нескольких ж/д ВНИЖГ

Технология изготовления тормозных колодок повышенной износостойкости из частично графитизированного чугуна внедрена на Киевском заводе городского электротранспорта (1970 г., 40 тыс. руб.), на Люблинском литейно-механическом заводе (г.Москва) для маневровых и-вывозных локомотивов (1983 г., 1646 тыс. руб.), для магистральных локомотивов (1985 г!, 620 тыс. руб.) и применительно к тор-

моэным колодкам с зацепами (1937 г., 600 тыс. руб.). Технология изготовления тормозных колодок повышенной износостойкости из низколегированного чугуна внедрена на Донецком заводе транспортного оборудования (1979 г., 64 ть:с. руб.), а тормозных барабанов троллейбусов и автобусоь из низколегированного чугуна - на Киевском заводе городского электротранспорта (1977 г., 30 тыс. руб.).

Были разработаны нобыё способы модифицирования при получении чугунов с шаровидным графитом, режимы изотермической закалки, обеспечивающие получение высоких механических свойств чугуна ( ¿,¡=1200

___ 1400 Aila, Ь - 2 ... 5%), в том числе и экологически чистые,

без использования соляных и щелочных ванн, технология изготовления тормозных дисков высокоскоростных вагонов железнодорожного транспорта из легированного цугуна с -вермикулярным графитом и др.

Экономический э<т\Нект от внедрения разработок составил более 3 млн. руб. (по первичным актам в ценах до 1987 года), в основном на экономии металла.

ссксвше вывод*

1. Разработан метод анализа кинетики графитизации железо-углеродистых сплавов (и других процессов), основанный на рассмотрении элементарного объема с графитным включением в его центре. Метод эффективно применен при анализе механизма предусадочного расширения, анализе кинетики первой (высокотемпературной) стадии графитизации белого чугуна, роста чугуна при термсцкклировании, анализе кинетики второй стадии графитизации и др.

2. На рост кристалла графита и его конечную Форму в силу ярко выраженных анизотропии физико-химических свойств и его свойств адсорбента влияют такие поверхностно активные элементы (по отношения к графиту и железу), как сера, кислород и другие, в'связи с чем пластинчатые формы графита в чухунах, выплавленных без защиты от атмосферной среды, являются результатом влияния этих элементов,

а ке его разновесными Ферма;.:и. Поверхнссгко активнее элементы в различной степени концентрируются на призм ен>!ь:х и базисных гранях и тем изменяют Еелкчииу кежФазной энергии, смачивание расплавом граней графита, условия перехода атомов углерода из пересыщенпого расплава на разные грани графита.

3. В чистых от поверхностно активных элементов железо-углеродистых сплавах в большей степени смочены базисные грани, а в сплавах с поверхностно активными элементами - призменные грани. При переходе от рафинированных сплавов к выалавленкым в атмосферных условиях (содержащих 5 , û и другие поверхностно активные элементы) условия и скорость роста (£/) базисных и призменных граней кристалла графита изменяются: в рафинированных сплавах Uî > Un ,

в нерафинированных -Un * . В случае ^¡Ь >• ifa кристалл гра-

»

Фита должен бы расти в виде цилиндра, волокна, так как базисные грани кристалла графита имеют два направления роста по одной линии. Из-за повышенной межфазной энергии призменная грань / расплав, зарождения новых волокон, их роста и срастания призменными гранями включения графита перерастают в поликристалл, призменные грани которого остаются внутри поликристалла, а базисные - ограняют его, Формируя в конечном итоге шаровидную иди близкую к ней форму графита. Рафинирование - S: -С -сплавов от поверхностно активных элементов, их нейтрализация в расплаве модифицирующими элементами является основной физико-химической предпосылкой кристаллизации графита шаровидной Формы - сферополикристалла графита. Роль модифицирующих элементов сводится к рафинированию расплава от поверхностно активных элементов и связыванга (нейтрализации) неудаленных из расплава поверхностно активных элементов. Возможно, что модифицирующие элементы стабилизируют ускорение роста базисных граней непосредственным влиянием, растворяясь в графите и увеличивая концентрацию винтовых дислокаций и других дефектов.

л <4. Образованию ''разорвгкьпсх" зклтачеккГ; граФета и в сэде "звезд" способствуют ггр;:.:ес!; типа др., которые накапливается на гра-

нте раздела графит/расплав V. в отдельных участках приостанавливают реет графита. Разрыв этих линззционгшцх слоев обусловливает рост включений ке сплошным сферическим Фронтом, а только в отдельных участках, рост отдельных волокон или ух групп, сто обусловливается тем не механизмом, что и потеря устойчивости гладкого Фронта роста кристаллов при кристаллизации расплавов, только при сферическом Фронте роста волокон шаровидного графитного включения образуются сложные формы, в том число и "звездообразные".

5. Расчет равновес.чой формы лгонокристалла графита с учетом разных соотношений величин поверхностных (мекФазных) энергий призменных и базисных граней показал возможность как пластинчатых, так и стержневых Форм. Согласно экспериментальным данным стержневые Формы монокристаллов графита в чуГунах не наблюдаются и графитные включения растут с большей скоростью нормально к грани с меньшей поверхностно'": энергией, т.е. не в соответствии с известным принципом Гиббса-Кори--ВульФа применительно к равновесным Формам монокристаллов. Этим Фактам даны объяснения прежде всего исходя из того, что формы графитных включений в чугуне являются "формами роста", а не равновесными, и что графитные включения в чугуне являются поликристаллическими образованиями, а не монокристаллами.

о. Показано, что выделение графита из расплава, в том числе и без кристаллизации цементита, может осуществляться при охлаждении расплава до температуры пересечения линии СО и СО (рис. 8). Температура пересечения линий

ас и Сй является температурой возможного начала роста цементита. При шаровидной форме графита и понижении температуры ниже/ГС/-" условия для отбела более благоприятны, чем

/

при пластинчатой форме графита. В температурном интервале С С (рис. 8) кристаллизуется графито-аустенитная эвтектика, в интервале С С -

кристаллизуется как графито-зустенитная, так, возможно, и цементи-то-аустенктная, при температура ниже С" - цементиго-аустенитная эвтектика. Интервал С С" составляет до 50 и более градусов в низкокремнистых /*г -5/ -С -сплавах.

7. Лредусадочное расширение при кристаллизации граФктизировак-ных железо-углеродистых сплавов является результатом роста графитных включений (графитизации) в аустенитном каркасе, расширения этого каркаса за счет перехода углерода из жидкой Фазы (расплава) на графитные включения в сформированном аус те н кт н о-графитном каркасе. Лредусадочное расширение начинается в слое чугуна, закристаллизовавшемся более чем на л- 50 % сразу не после соприкосновения между собой графито-аустенитных образований. В чугуне с пластинчатым граФитом предусадочное расширение.меньше, чем в чугуне с шаровидным гра- ' фетсм, так как при росте пластинчатого графита значительная часть углерода расплава выделяется на торцах (приэменных гранях) графита, контактирующих с расплавом, без диффузии через аустенитные оторочки.

8. Скорость граФитизации белых чугунов (в элементарном объеме) на разных этапах процесса определяется разными Факторами: на начальном этапе - величиной поверхности графитного включения и диффузией углерода, на конечном - растворением цементита. Увеличение центров графитизации в чугуне (уменьшение величины элементарных объемов) и снижение термодинамической стабильности цементита, что достигается модифицированием, легированием и ускорением процесса кристаллизации чугуна - основные факторы интенсификации процессов граФитизации. Рост полости для растущего графита при высокотемпературной граФитизации (I стадии) Гг. - Б'! - С -сплавов не является лимитирующим и определяющим кинетику процесса.

. 9. Определяющим процессом в кинетике второй стадии граФитизации А Ф -+Г является диффузия углерода от распадающегося аус-тенита через феррит к графиту. Скорость граФитизации в элементарном

объеме определяемся величинам;: перепада концентрации СрА — С-,-- и диффузионного пути от А к Г а учетом коэффициента диффузии углерода. Рост полости для графита не является определяющим в процессе графитиз ацнн к может замедлять процесс в чугунах, содержащих > С,5," 5/, не более чем на 10л-. Определяющими Факторами в кинетике граФи-тизацик звтектокдного цементита являются растворение цементита и диффузия углерода. Легирующие элементы влияя т на скорость граФптпза-ции посредством изменения термодинамической устойчивости Фаз, принимающих участие в превращениях (А, Ц ,СР), через изменение движущей силы процесса.

10. между влиянием легирующих элементов (кремний, никель, медь, марганец) на температуру превращения ) г? Ы.-*Г низколегированных чугунав и на параметр кристаллической решетки оС-Фазы установлена корреляция: элементы, увеличивающие параметр.кристаллической решетки с( -Фазы, поникают температуру превращения, уменьшающие - повкша-ют. ¿Г г2 сЬ. Г -превращение проходит при значении параметра с< -

о

-фазы ~ 2,899-2,901 А . Устаноаленная взаимосвязь позволила обосновать ранее установленную эмпирическую зависимость температуры этого превращения от химического состава чугуна.

11. Одним из факторов роста чугуна при термоцкклировании и реализации превращения $ с*. ■+ Г является некомпенсированная релаксация микронапряжений растяжения и сжатия вокруг графитных включений, возникающих в связи с растворением углерода и его выделением, образованием феррита и аустенита. Подтверждено, что рост обусловлен также и тем, что графит "врастает" в металлическую основу, увеличивая её объем, в меньшей степени занимая освободившиеся части полости при растворении граФита.

12. Установлено, что при температурах ниже пересечения продления линий £5 (рис. 24) и СР структурной диаграммы /ч - С условия для выделения цементита из переохлажденного аустенита и его

роста тормозятся Ы.-.Фазой. Превращение переохлажденного аустенита преходит с выделением oí-фазы, пересыщенной углеродом, и повышением содержания углерода в исходном аусгенкте без выделения в ном карбидной Фазы, т.е. образуется структура бейнита. Прочность бейкита обусловлена высокой дисперсностью его Фаз, пластичность - отсутст- 4 вием в структуре хрупких фаз.

13. Теоретические разработки кинетики и механизма процессов графитизации были использованы при разработке технологий получения легированных и нелегированных '¡угунов с шаровидным графитом с Фер-ритной, перлитной и бейнитной структурами металлической основы, способов модифицирования, получения чуцунов с междекдриткьм точечным

графитом, частично граФитизированного чугуна, при разработке рекшов

* •

граФиткэирующего отжига, изотермической закалки и др. Технологии внедрены при производстве стеклоФорч, тормозных колодок и дисков, поршневых колец и деталей другого назначения.

Экономическая эффективность внедрения только частично граФитизированного чугуна на период освоения (1983-1985 гг.) составила более 2 млн. руб., совместно с другими работами - более 3 млн. руб.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Неижко И.Г. ГраФитизация и свойства чугуна. - Киев : Наукова думка, 1989. - 208 с.

2. Неижко И.Г. Термическая обработка чугуна. - Киев : Наукова думка, 1992. - 208 с.

3. Фрактография, прокаливаемость и свойства сплавов / Ераун М.П., Веселянский Ю.С., Костырко О.С., Винокур Б.Б., Матюшенко Н.И., Неижко И.Г. // Киев : Наукова думка. - 1966. - 312 с.

4. Неижко И.Г. К вопросу образования Форм графита в Fl - Si - С --сплавах // Литейное производство. - 1953. - 12. - С. 30-32.

5. Неижко И.Г. Внутренне строение графита и металлической основы чугуна // Литейное производство. - 1964. - № 2. - С. 25-26.

6. Неижко л.Г. Определение величины включений пароьиднсго графита // Литейное производство. - 1961. - £ 5. - С. 30-32.

?. 1-!еилКО И.Г', ¿лкяниэ перэохлаждения на кристаллизацию чугуна с пароввднкм графитом // Новое в литейном производстве. - Ккез : Институт технической информации, 1954. - С. 4-1-43.

3. Неккко И. Г. Исследование влияния процесса создания полости для. растущего гранита на кинетику Етсрой стадии графитизации // Новые технологические процессы литейного производства : Материалы >1X1 Всесоюзной научно-технической конференции (Харьков, 1966). - Москва : НЙЙ4А21, 1967. - С. 159-165.

9. Неиако И.Г. К определению минимального сечения отливки из чугуна с шаровидным графитом без отбела // Вопросы теории процессов литья. - Киев : ЙШЗ АН УССР, 1959. - С. 45-49.

10. Не ¡с; ко И.Г. О механизме влияния Ферросилиция на чугун при модифицировании и его моделирование // Вопросы теории процессов литья. - Киев : ИГШ АН, УССР, 1969. - С. 60-61.

11. Ьраун 1,1.П., Неижко И.Г. Сб узксм звене второй стадии графит иза-ции // Литейное производство. - 1967. -I? 4. - С. 27-28.

12. Браун М.П., Неижко И.Г. Микроструктурный анализ кинетики зторсй стадии графитизации чугунов // Известия Академии наук СССР, ыэ-таллы. - 1969. - № 4. - С. 144-147.

13. Браун М.П., Неикко И.Г. Исследование Факторов, определяющих кг.-нетику второй стадии графитизации чугунов // Диффузионные процессы в металлах. - Киев : Наукова думка, 1969. - С. 128-Т35.

14. Ераун М.П., Кешко И.Г. Скоростной способ термической обработки образцов // Металловедение и термическая обработка. - 1965. -

№ II. - С. 30.

15. Неижко И.Г. К механизму предусадочного расширения чугунов // Технология и организация производства. - Киев : Научно-производственный сборник, 1973. - № 10. - С. 43-44,

IG. Неикко Я.Г. Некоторые особенности кристаллизации графито-аусте-hktkoU эвтектики /7 Высокопрочный чугун с шарозэдньы граФите?.:. - Киев : Науксва думка, 1974. - Ü. 51-53.

17. Ераук LI.П., Ней*::-: о И.Г., Тарасeäко З.Ю. С механизме влияния легирующих элементов ка критические точки чугуксв // Прогрессивные методы термического упрочнения сталей и сплавов. - Киев : Общество "Знание" УССР, 1974. - С. 35.

18. Ераун ¿¡.П., Неижко И.Г., Тарасепко В.Ю. Определение критической точки Лj-легированных железоуглеродистых сплавов г;о данным рент-хсноструктурного анализа // автоматизация контроля и управления процессии термической обработки сплавов. - Киев : Общество "Знание" УССР, IS74. -'С. 7-8.

19. Тарасекко В.Ю., Неижко я.Г. О параметре решетки легированного Феррита при эвтектсидном превращении // .Металловедение и термическая обработка сплавов. - Киев : ИПЛ АН УССР. - 1974. - С. 53-55.

я

20. Неикко К.Г., Тарасенко B.D. 0 температуре эвтектоидного превращения высокоуглеродистых сплавов // Новые достижения в области металловедения и термической обработки металлов. - Киев : Общество "Знание" УССР, 1975. - С. 7-8.

21. Неижко И.Г., Тарасенко В.Ю. Влияние легирующих элементов на

cL Г z? )f -превращение в высокоуглерсдистых сплавах железа // Легированные стали и сплавы. - Киев : ИПЛ АН УССР, 1975. -С. 29-36.

22. 22. Неижко И.Г. О механизме влияния термоциклирования на рост и на прочность тугунов // Конструкционные металлы и сплавы и методы их упрочнения, 1976. - С. 11-12.

23. Неижко И.Г. Об определяющих факторах второй стадии графитизации 'чугунов // Конструкционные металлы и сплавы и метода- их упрочнения. - Киев : Общество "Знание" УСССР, J976. - С. II-I2.

24. Нзижо И.Г. Предусадочное расширение чу гунов с шаровидным гра-гктси.; // Творил ■/. практика высокопрочного чугуна. - Киев : !ПЛ АН УССР, 1976. - С. 37-43.

25. Неижко И.Г. Качественный анализ кикрснапряжений к де'*-ср?маций, возникающих е чугуне с шаровидным графитом // X Всесоюзная конференция по высокопрочному чугуну : Тез. докл. (Львов). - Киев

: ипл ан усср. - 1977. - с. 24-26.

26. Неижко И.Г. Некоторые особенности гранитизации А — + Г // Вопросы технологии, экономики производства и применения высокопрочного чугуна. - Киев : ИПЛ АН УССР, 1979. - С. 38-53.

27. Неижко И.Г. О роли межфазных грант; в Формообразовании гранита • в чугунах // Новое в металлографии чугуна. - Киев : !Ш АН УССР, 1931. - С. 11-26.

28. Неижко И.Г. О субмикроструктуре графита в чугунах // Новое з металлографии чугуна. - Киев : ИПЛ АН УССР, 1981. - С. П-26.

29. Неижко И.Г. О теориях образования шаровидного граФита в чугуне // Кристаллизация, структурообразование и свойства модифицированного чугуна. - Киев : ИПЛ АН УССР, 1982. - С. 3-14.

30. Неижко И.Г. Гранитизация чугунов // Прогрессивные технологии литья и кристаллизации сплазов. - Киев : КПП АН УССР, 1969. -

С. 107-117,

31. Неижко И.Г. Структурные изменения в трущемся слое частично гра-Нитизироваккого чугуна // Термодинамика процессов Нормирования структуры литых сплавов. - Киев : ИПЛ АН УССР, 1935. - С. 55-61.

32. Пасичный В.З., Нэитао И.Г., Привалова Л.З. С Фазовых превращениях з поверхностном слое высокопрочного чугуна при нагреве солнечным концентрированным излучением // Интенсификация литейных технологий. - Киев : ИПЛ АН УССР, 1989. - С. 29-32.

33. Неижко И.Г. ГраНит как концентратор напряжений в чугуне // Структура и свойства чугуна. - Киев : ИПЛ АН УССР, 1939. - С. 71-76.

34. Неижко И.Г. Принципы выбора химического состава и режимов термической обработка бейнитных чугунов // Кристаллизация и свойства высокопрочного чугуна в отливках. - Киев : ИПЯ АН УССР, 1950. - С. 39-46.

35. Неижко Й.Г., Пилипенко Т.К. Исследование роста полости для графитных включений при отжиге белых чу1унов // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1991. - № 4. - С. 42-43.

36. Неижко И.Г. Формирование бейнитной структуры в графитизированном чугуне // Сб. научных докладов конгресса МТ * 91. - Варна (Болгария) 3-5 октября 1991. - С. 142-146.

37. Неижко И.Г. К анализу диаграммы Ы-С в области эвтектики и кристаллизации граФита.и цементита // Процессы литья. - 1992. -№ 2. - С. 71-76.

38. Неижко И.Г. Особенности эвтектической кристаллизации ЧШГ в тонкостенных отливках // Процессы литья. - 1996. № I. - С. 47-50.

39. Неижко И.Г. Высокопрочный чугун с шаровидным графитом взамен ковкого // Тематический обзор "Передовая технология литейного производства". - Киев : Ин-т технической информации, 1962. -С. 55-62.

40. Кеижко И.Г. Черноты в магниевом чугуне // Научно-технический сборник "Машиностроение". - Киев : Ин-т технической информации. - 1963. - I? 2. - С. 40-45.

41. Браун М.П., Неижко И.Г. Скоростной способ термической обработки образцов // Информационный сборник "Технология и организация производства". - Киев : Ин-т технической информации, 1966. - № 2. - С. 73-76.

42. Тс-хнологая еиготорлоння чсбуннж: гаяып'внп:: колодок / ':'ра.ун ".¡'. П., Нзг;>но 1.Г., Шше.нш В.А. те ¿к. // 1нйоу ии йно-"аиробнпчс-'-ге/кх'-нг.к зб1рниь: "!.11ське гослодзрство Укг?:нп". - й;хз. -1972. - .7 2. - С. 37-33.

3. У.зносостопкиП фрикционный чугун для тормозных колодок трамвая / Ераун iVi.n., Кзижко И.Г., Мгаакин В.А., Коган И.Б. // Информационное письмо. - Киев ; ИГЛ АН ¿'ССР, IS7I. - К' 58. - 4 с.

4. Технология термической обработки чугунных тормозных колодок /. Неинко 'Л.Г., Браун !«.П., Коган И.Б. и др. // Научно-прокзвод-ственный сборник "Технология и организация производства". -Киев, 1971. - Ii" 5. - С. 47-48.

:5. Усовершенствование технологии изготовления прессФорм / Полищук п. П., ЛещиксккГ: З.А., Браун М. Л., Неикко И.Г. // Научно-производственный сборник "Технология и организация производства". -Киев. - 1972. - Г? 5. - С. 63-64.

15. Износостойкость травмайкых тормозных колодок, изготовленных из частично отсиженного белого чугуна / Неикко И.Г., Ераун м.П., Гвоздев В.А. и др.//Литые износостойкие материалы. - Киев : ИПЛ АН УССР, 1972. - С. 63-66.

17. Ераун М.П., Неижко й.Г., Мишакин В.А. Разработка износостойкого Фрикционного чугуна для тормозных колодок // Литые износостойкие материалы. - Киев : ИПЛ АН УССР, 1972. - С. 59-62.

13. Повышение износостойкости пуансонов из литых сплавов / Полицук. И. П., Браун М.П., Лещинский В. А., Неижко И. Г. // Литые износостойкие материалы. - Киев : ИПЛ АН УССР, 1972. - С. 83-85.

49. Чугуны для стеклоформ / Малышев В.В., Зейликман Б.В., Савченко П.К., Чумаков П.Н., Ераун М.П., Неижко И.Г. // Литые износостойкие материалы. - Киев : ШЛ АН УССР, 1975. - С. 7С-75.

50. Неикко И.Г., Белинская Л.А. Разработка ударостойких при отрицательных температурах чугунов с шаровидным графитом для тонкостенных отливок // Перспективные направления в организации и технологии производства отливок, обеспечивающих снижение расхода металлов и материалов. - Волгоград : ВНЖГМАШ, IS79. - С. 41- 43.

51. Выбор способов модифицирования для ноьых участков и высокопрочного "угула / Нс;:.:;:о И.Г., Самоличенко i;.'.'., .'и;Е.мог;:ч Р.И., Излкнская У,.К. // ловышенке эУентквнсггк лэтеЯксгс производства и к&чеетьа литых заготовок. - Хабаровск : Хабаровский пслитехк. ик-т, 1931- - С. 20-23.

52. íleiecKO i!.Г. Зозкзекке износостойкости чугунных тормозных коло-дск // Зкоксися уеталла б литейном производстве. - ¡Гнев : К."Ш АН УССР, 1952. - С. 00-50.

53. HeitKKO И.Г. Тср:сз?&ге колсд;-и ::з чугуна с шаровидным графитом // Кристаллизуйся, •отруг'гуг.осбрлзсьплну и ево'-'ства :.:сдн"н:а:ро-вашого чугуна. - Киев : ¡ИЛ АН УССР, 1932. - С. 90-97.

54. КаяхкоИ.Г. Эксплуатационные характеристики тормозных коледок из частично грагитизированного чугуна при работе на маневровых локомотивах //' кевкгекиэ '.здгзсостоКкости литых материалов. -Киев : Ш АН УСС?. 1953. - С. 14-19.

55. Hs;ra:-;o И.Г. Частично гра^итизирсвакшй чугун как фрикционный .материал тормозных колодок // Новое в теории и практике производства и применения высокопрочного чугуна. - i-'.иэв : ПЛ." АН УССР, 1935. - С. 70-77.

55. Зуколов Ti.к., Неir-:;:о И.Г. Новые тормозные колодки для локомотивов // Электрическая и тепловая тяга. -'1987. - № 5. - С. 32-33.

57. Неижко И.Г. Исследование, разработка и перспективы частично гр аФкт из ир о в ан;-: с г с чугуна // Сб. Второй национальной международной школы. - Варка (Болгария). - 1959. - С. 2-II.

58. Некхко И.Г. Частично графитизированный чугун и его свойства // Литейное производство. - 1992. - I? 9. - С. 21-22.

59. Неиико И.Г., Прохоренко Л.Г., Ляшенко Г.И. Исследование отбели-.ваемости Фрикционного износостойкого чугуна // Процессы литья. - 1994. - S I. - С. 55-95.

60. Неижко И.Г. О двух подходах А.А.Горшкова к механизму образования шаровидного графита в чугунах // Процессы, литья. - 1994. -№ I. - С. 39-41.

61. Неижко И.Г. О теория образования иароэидного графита в чугунах// Процессы литья. - 1994. - № 4. - С.25 -33;

По .теме диссертации получены, авторские свидетельства СССР: 143823, 567767, 836119, 1014903, 505737, 7Ш03, 956593,

324278, 594177, 863699, 1196126, 540986, 827556, 973621.

I

I

НЕхдШ 1.Г., Графггизацхл I структураутворения чаьупу. Дисерта-ц1я на пдобуття учено! стунен1 доктора технАчнкх наук поепецЬмь -ност1 05.16,01 /"Металознавство

х термхчна обробка метал1з"/. 1нстит.ут Проблем лиття ПАИ Укрэ?ни, Ки-гз, 1995. Засищадться теорхГ формоутворення пластинчатого та куллс-того граппт.у, /дхч повёрхнсио актив них елсмант1в 1 рафшуаання чаинку/, механхзму пхдвищенога доусадкозэго розширення чавуну з к.уллс -тим грархтом, ролх дифуз1йиого ыеханхзму росту полостх для графи* -йога зерна, "вузького Данцига" кхкетики графйизацй' чавуиу/ дифу -зхя вуглвцр та розчинення цементиту/, фактори формуяалня бей'ихтних структур ыеталево! основи чавуну та хшй. Захюцаютьол результат« розробок чайтково графхтизованого чавуну. для гальмхвних колодок, способ 1и пдержання високомгцного чаауну та ннзыюлеговвиюс чавунхв для сооформувщого хнсарументу, Впровадження цих розробок дало еко-номш быьше 3 млн.крб. в цхнах'до 1987 р. Результат» роб и опубликован! в 3-х монографхял, 61 статтх 1 захищенх 15 авторськими свЬ-доцтзами. • '

ЧАВУН, ГРАФ1ТИЗАЦ1Я, ¡СУЛЯСТИЙ ГРАФ1Т, БЕЙН1Т ,ГАЛЬН1ВН1 КОЛОДА.

"EIZJIKO 1.(3. firephitization arid Structure Porantion of Cast Iron. Thesis submitted for defence of n doctor's degree on specialities C5.I6.OI. ("Science of Metals and Heat Treatment"). Institute of Foundry Problems cf the national Academy of Sciences of Ukraine, Kiev, 1995- It will be defended theories and mechanisms of formation of flaked and globular graphite, influer.ee of surface active elements, purificarion (refining) of cast iron, heightened fore-shrinked dilation of spheroidal graphite cast iron, role of diffusion growth of graphite grain, bottle-neck of cast iron graphitization kinetics (diffusion of iron and dissolution of ceynentite), factors of formation of nite structures of metallic basis of cast iron, etc. It will be also defended results of investigations of partly graphitized cant iron for brake-shoe3, methods (modes) of production (obtaining) of high-strength cast irons and low-alloyed cast irons for instru -mcnts. A total economic effect from the introduction into practice of these elaborations is more than 5 million karbovanez in 1937 prices. Results of the above investigations have been published in 5 monographs, Si articles and defended by 15 author's certificates.

CAST IRON, GRAPHITIZATION, SPHEROIDAL GRAPHITE, BAIIJITE, BRAKE-SHOES.