CC BY
8
https://doi.org/10.21122/1683-6065-2022-1-37-39 Поступила 20.12.2021
УДК 621.745.35 Received 20.12.2021
НАНОСТРУКТУРНАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ ЧУГУНОВ
Е. И. МАРУКОВИЧ, В. Ю. СТЕЦЕНКО, Институт технологии металлов НАНБеларуси, г. Могилев, Беларусь, ул. Бялыницкого-Бирули, 11. E-mail: [email protected]
А. В. СТЕЦЕНКО, МОУВО «Белорусско-Российский университет», г. Могилев, Беларусь, пр. Мира, 43
Показано, что кристаллизация чугунов является наноструктурным процессом. Аустенитно-графитная эвтектика формируется из нанокристаллов железа и графита, свободных атомов железа и графита. Аустенитно-цементитная эвтектика образуется из нанокристаллов железа и графита, свободных атомов графита и железо-углеродных комплексов. Первичные микрокристаллы аустенита формируются из нанокристаллов железа, графита и железо-углеродных комплексов.
Ключевые слова. Чугуны, кристаллизация, наноструктурный процесс, нанокристаллы, свободные атомы, микрокристаллы, железо-углеродные комплексы. Для цитирования. Марукович, Е. И. Наноструктурная кристаллизация чугунов/Е. И. Марукович, В. Ю. Стеценко, А.В. Сте-ценко //Литье и металлургия. 2022. № 1. С. 37-39. https://doi.org/10.21122/1683-6065-2022-1-37-39.
NANOSTRUCTURED CRYSTALLIZATION OF CAST IRON
E.I. MARUKOVICH, V. Yu. STETSENKO, Institute of Technology of Metals of National Academy of Sciences of Belarus, Mogilev, Belarus, 11, Bialynitskogo-Biruli str. E-mail: [email protected] A. V. STETSENKO, Belarusian-Russian University, Mogilev, Belarus, 43, Mira ave.
Crystallization of cast iron has been shown to be a nanostructured process. Austenitic-graphite eutectic is formed from iron and graphite nanocrystals, free iron and graphite atoms. Austenitic-cementite eutectic is formed from iron and graphite nanocrystals, free graphite atoms and iron-carbon complexes. Primary austenite microcrystals are formedfrom iron nanocrystals, graphite and iron-carbon complexes.
Keywords. Iron, crystallization, nanostructured process, nanocrystals, free atoms, microcrystals, iron-carbon complexes. For citation. Marukovich E. I., Stetsenko V. Yu., Stetsenko A. V. Nanostructural crystallization of cast iron. Foundry production and metallurgy, 2022, no. 1, pp. 37-39. https://doi.org/10.21122/1683-6065-2022-1-37-39.
Кристаллизация металлов является наноструктурным процессом [1]. Жидкие чугуны затвердевают с образованием эвтектики. Относительно нее различают доэвтектические, эвтектические и заэвтектиче-ские чугуны. Эвтектика формируется при кристаллизации железо-углеродного расплава, содержащего 17 ат. % углерода [2]. Чугуны можно получать растворением графита в жидком железе. При плавлении железа происходит реакция [3]:
FeMK =e1Fe3K +u1Fea -AHпж , (1)
где FeMK - микрокристаллы железа; Fea - свободные атомы железа; ej и u1 - атомные концентрации элементарных нанокристаллов и свободных атомов железа; АНпж - молярная энтальпия плавления железа.
АНпж = 13,8 кДж/моль, а молярная энтальпия сублимации (атомизации) железа (ЛНсж ) составляет 417,6 кДж/моль [4]. Атомная концентрация свободных атомов железа при плавлении определяется следующим уравнением [3]:
u, = . (2)
1 АНсж W
Подставляя исходные данные в (2), получаем u1 = 3 ат. %. Соответственно ej = 97 ат.%. При растворении графита происходит реакция, аналогичная (1):
CMK =e2C3K +u2Ca -АНрг , (3)
38
FOUNDRY PRODUCTION AND METALLURGY 12022
где Смк - микрокристаллы графита; Сэн - элементарные нанокристаллы графита; Са - свободные атомы графита; е2 и и2 - атомные концентрации элементарных нанокристаллов и свободных атомов графита; АНрг - молярная энтальпия растворения графита.
ДНрг равна молярной теплоте кристаллизации графита в чугуне и составляет 71,34 кДж/моль [5]. Молярная энтальпия сублимации (атомизации) графита (ДНсг) равна 717,8 кДж/моль [4].
Атомная концентрация свободных атомов графита при растворении графита определяется по уравнению [3]:
АН р
u2 =-^. (4)
Подставляя исходные данные в (4), получаем u2 = 10 ат. %. Соответственно e2 = 90 ат. %. Атомы графита являются связующими нанокристаллов графита.
При растворении графита в жидком железе происходит взаимодействие Fea с Са с образованием железо-углеродных комплексов (ЖУК). В результате микрокристаллы графита распадаются на элементарные нанокристаллы по следующей реакции:
CMK + Fea = СЭн + ЖУК . (5)
Элементарными ЖУК являются соединения Fe3C. В жидком эвтектическом чугуне содержатся 80,5 ат. % Fe^ ; 15,3 ат. % Сэн ; 0,9 ат. % Ca; 3,3 ат. % ЖУК.
Аустенитно-графитная эвтектика (АГЭ) формируется при медленной эвтектической реакции. В этом случае основное количество ЖУК распадается на Fea и Ca. Тогда образование CMK в АГЭ происходит следующим образом. Сначала формируются структурообразующие нанокристаллы графита (Ссн) по следующей реакции:
Сэн + Ca = Ссн . (6)
Затем образуются центры кристаллизации графита (Сцк):
С + С = С (7)
^сн ~ a ^цк • V' /
Заканчивается процесс формированием Смк по реакции:
Сцк + Ссн + Ca = Смк . (8)
Образование микрокристаллов аустенита в АГЭ (Амкг) происходит следующим образом. Сначала формируются структурообразующие нанокристаллы аустенита АГЭ (Аснг) по следующей реакции:
^эн + Сэн + Fea = Аснг . (9)
Затем формируются центры кристаллизации аустенита АГЭ (Ацкг) :
Аснг + Fea = Ацкг . (10)
Заканчивается процесс образованием Амкг по следующей реакции:
Ацкг + Аснг + Fea = Дмкг . (11)
Аустенитно-цементитная эвтектика (АЦЭ) формируется при быстрой эвтектической реакции. В этом случае ЖУК не распадаются на Fea и Ся . Тогда образование микрокристаллов цементита (Цмк ) в АЦЭ происходит следующим образом. Сначала формируются структурообразующие нанокристаллы цементита (Цсн ) по следующей реакции:
Feэн + Сэн + Ca + ЖУК = Цсн . (12)
Затем образуются центры кристаллизации цементита (Ццк ) :
Цсн + Ca + ЖУК=Ццк . (13)
Заканчивается процесс формированием (Цмк ) по реакции:
Ццк+Цсн + Ca+ЖУК=Цмк . (14)
Образование микрокристаллов аустенита в АЦЭ (Амкц) происходит следующим образом. Сначала образуются структурообразующие нанокристаллы аустенита АЦЭ (Аснц ) по реакции:
Feэн + Сэн + ЖУК = Аснц . (15)
Затем формируются центры кристаллизации аустенита АЦЭ (Ацкц ) :
[кц •
(16)
(17)
Можно считать, что кристаллизация эвтектического чугуна происходит по реакциям (6) - (11) или (12) - (17). Если ЖУК при эвтектической реакции распадаются на Feа и Cа только наполовину, то одновременно образуются АГЭ и АЦЭ. В этом случае получается половинчатый чугун.
При кристаллизации доэвтеткического чугуна сначала формируются первичные микрокристаллы аустенита по реакциям, аналогичным (15) - (17), а затем - АГЭ или АЦЭ по реакциям (6) - (11) или (12) - (17). При кристаллизации заэвтектического чугуна сначала образуются первичные микрокристаллы графита или цементита по реакциям, аналогичным (6) - (8) или (12) - (14), а затем - АГЭ или АЦЭ по реакциям (6) - (11) или (12) - (17).
1. Марукович Е. И., Стеценко В. Ю., Стеценко А. В. Наноструктурная кристаллизация металлов // Литье и металлургия. 2021. № 2. С. 23-26.
2. Диаграммы состояния двойных и многокомпонентных систем на основе железа: справ. / Под ред. О. А. Банных и М. Е. Дрица. М.: Металлургия, 1986. 440 с.
3. Марукович Е. И., Стеценко В. Ю. Наноструктурная теория металлических расплавов // Литье и металлургия. 2020.
4. Свойства элементов. Ч. 1. Физические свойства: справ. / Под ред. Г. В. Самсонова. М.: Металлургия, 1976. 660 с.
5. Захарченко Э. В., Левченко Ю. Н., Горенко В. Г. и др. Отливки из чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом. Киев: Наукова думка, 1986. 248 с.
1. Marukovich E. L, Stetsenko V. Yu., Stetsenko A. V. Nanostrukturnaya kristallizaciya metallov [Nanostructured crystallization of metals]. Lit'e i metallurgiya = Foundry production and metallurgy, 2021, no. 2, pp. 23-26.
2. Diagrammy sostoyaniya dvojnyh i mnogokomponentnyh sistem na osnove zheleza: Spravochnik [Status diagrams of dual and multi-component iron-based systems: Reference]. Pod red. O.A. Bannyh i M. E. Drica. Moscow, Metallurgiya Publ., 1986. 440 p.
3. Marukovich E. L, Stetsenko V. Yu. Nanostrukturnaya teoriya metallicheskih rasplavov [Nanostructural theory of metal melts]. Lit'e i metallurgiya = Foundry production and metallurgy, 2020, no. 3, pp. 7-9.
4. Svojstva elementov. Ch. 1. Fizicheskie svojstva: Spravochnik [Item Properties. Part 1. Physical Properties: Reference]. Pod red. G. V. Samsonova. Moscow, Metallurgiya Publ., 1976, 660 p.
5. Zaharchenko E. V., Levchenko Yu. N., Gorenko V. G. i dr. Otlivki iz chuguna s sharovidnym i vermikulyarnym grafitom [Cast iron castings with spherical and vermicular graphite]. Kiev, Naukova dumka Publ., 1986. 248 p.
ЛИТЕРАТУРА
№ 3. С. 7-9.
REFERENCES
