CC BY
15
https://doi.org/10.21122/1683-6065-2022-2-31-33 УДК 621.745.35
Поступила 22.02.2022 Received 22.02.2022
НАНОСТРУКТУРНАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ СТАЛИ
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 стали является наноструктурным процессом. Микрокристаллы аустенита в жидкой стали с концентрацией углерода от 2,5 до 9,0 ат. %, микрокристаллы 8-феррита в расплаве с концентрацией углерода до 2,5 ат. %, микрокристаллы аустенита при перитектической реакции формируются из элементарных нанокри-сталлов железа и графита, свободных атомов железа и железо-углеродных комплексов.
Ключевые слова. Сталь, кристаллизация, наноструктурный процесс, нанокристаллы, свободные атомы, микрокристаллы, железо-углеродные комплексы.
Для цитирования. Марукович, Е. И. Наноструктурная кристаллизация стали /Е. И. Марукович, В. Ю. Стеценко, А. В. Сте-ценко //Литье и металлургия. 2022. № 2. С. 31-33. https://doi.org/10.21122/1683-6065-2022-2-31-33.
NANOSTRUCTURED STEEL CRYSTALLIZATION
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.
Steel crystallization has been shown to be a nanostructured process. Austenite microcrystals in liquid steel with a carbon concentration of 2.5 to 9 atomic percent, S-ferrite microcrystals in melt with a carbon concentration of up to 2.5 atomic percent, austenite microcrystals in peritectic reaction are formed from elementary nanocrystals of iron and graphite, free iron atoms and iron-carbon complexes.
Keywords. Steel, crystallization, nanostructured process, nanocrystals, free atoms, microcrystals, iron-carbon complexes. For citation. Marukovich E. I., Stetsenko V. Yu., Stetsenko A. V. Nanostructured steel crystallization. Foundry production and metallurgy, 2022, no. 2, pp. 31-33. https://doi.org/10.21122/1683-6065-2022-2-31-33.
Кристаллизация металлов является наноструктурным процессом [1]. Сталь - это сплав железа с углеродом при его концентрации до 9 ат.% [2]. При содержании в стали от 2,5 до 9,0 ат. % углерода расплав кристаллизуется с образованием аустенита. До концентрации 2,5 ат. % углерода жидкая сталь кристаллизуется с формированием 5-феррита, а при 1496 °С происходит перитектическая реакция с образованием аустенита [2, 3].
Сталь получается при растворении графита в жидком железе. При плавлении железа происходит реакция [4]:
Ремк = е1Реэн + и1Реа-АНпж , (1)
где Ремк - микрокристаллы железа; Беа - свободные атомы железа; ех и и - атомные концентрации элементарных нанокристаллов и свободных атомов железа; АИПж - молярная энтальпия плавления железа.
АНпж = 13,8 кДж/моль, а энтальпия сублимации (атомизации) железа (АНсж) составляет 417,6 кДж/моль [5]. Атомная концентрация свободных атомов железа при плавлении определяется по уравнению [4]:
и1 =АНж. (2)
1 АН Сж
Подставляя исходные данные в (2), получаем и1 = 3 ат. %. Соответственно ех = 97 ат. %.
32
FOUNDRY PRODUCTION AND METALLURGY 2 2022
При растворении графита происходит реакция, аналогичная (1):
Смк = е2Сэн + и2Са - АНрг , (3)
где Смк - микрокристаллы графита; Сэн - элементарные нанокристаллы графита; Са - свободные атомы графита; вг и иг - атомные концентрации элементарных нанокристаллов и свободных атомов графита; АНрг - молярная энтальпия растворения графита.
АНрг равна молярной теплоте кристаллизации графита в чугуне и составляет 71,34 кДж/моль [6]. Молярная энтальпия сублимации (атомизации) графита (АНсг ) равна 717,8 кДж/моль [5]. Атомная концентрация свободных атомов графита при растворении графита определяется по уравнению [4]:
АН рг
и2 =-^ . (4)
2 АН сг
Подставляя исходные данные в (4), получаем и2 = 10 ат. %. Соответственно вг = 90 ат. %. При растворении графита в жидком железе происходит взаимодействие Feа с Са с образованием железо-углеродных комплексов (ЖУК). В результате микрокристаллы графита распадаются на элементарные нанокристаллы:
См^а=Сэн + ЖУК . (5)
Элементарными ЖУК являются соединения FeзC . В расплаве с концентрацией углерода 9 ат. % содержатся 88,3 ат. % Feэн ; 8,1 ат. % Сэн ; 3,6 ат. % ЖУК. В жидкой стали с концентрацией углерода 2,5 ат. % находятся 94,5 ат. % Feэн ; 2,0 ат. % Feа ; 2,25 ат. % Сэн ; 1,0 ат. % ЖУК. Поэтому в расплаве стали с концентрацией углерода от 2,5 до 9 ат. % содержатся Feэн, Сэн, Feа и ЖУК. Тогда формирование микрокристаллов аустенита стали (Амкс ) при кристаллизации такого расплава происходит следующим образом. Сначала формируются структурообразующие нанокристаллы аустенита стали (Аснс) по следующей реакции:
Feэн+Cэн+Feа+ЖУК=Aснс. (6)
Затем формируются центры кристаллизации аустенита стали (Ацкс ) :
Аот^еа+ЖУК=Ацкс. (7)
Заканчивается процесс образованием Амкс по реакции:
Aцкс+Aснс+Feа+ЖУК=Aмкс. (8)
В жидкой стали с концентрацией углерода 0,8 ат.% содержатся 96,20 ат. % Feэн ; 0,72 ат. % Сэн ; 2,76 ат. % Feа ; 0,32 ат. % ЖУК. Поэтому в расплаве стали с концентрацией углерода до 2,5 ат. % находятся Feэн , Сэн, Feа и ЖУК. Тогда формирование микрокристаллов 5-феррита (Фмк) при кристаллизации такой жидкой стали происходит следующим образом. Сначала образуются структурообразующие нано-кристаллы 5-феррита (Фсн) по реакции:
Feэн+Cэн+Feа+ЖУК=Фсн. (9)
Затем формируются центры кристаллизации 5-феррита (Фцк ) :
Ф^еа+ЖУК=Фцк. (10)
Заканчивается процесс образованием Фмк по реакции:
Фцк+Ф^еа+ЖУК=Фмк . (11)
В стали с концентрацией углерода от 0,5 до 2,5 ат. % после окончания кристаллизации 5-феррита происходит перитектическая реакция. Она заключается в том, что 85 % Фмк с концентрацией углерода 0,5 ат.% реагирует с 15 % расплава с концентрацией углерода 2,5 ат. % с образованием микрокристаллов аустенита перитектической реакции (Амкр ) с концентрацией углерода 0,8 ат. % [2].
При температуре 1496 °С Фмк распадаются на Feэн , Сэн , Feа и ЖУК. Эти компоненты Фмк взаимодействуют с аналогичными составляющими расплава. При этом сначала образуются структурообразующие нанокристаллы аустенита перитектической реакции (Аснр ) :
Feэн+Cэн+Feа+ЖУК=AснP. (12)
Затем формируются центры кристаллизации аустенита перитектической реакции (Ацкр ) :
Ас^еа+ЖУК=АцкР. (13)
(14)
Таким образом, кристаллизация стали является наноструктурным процессом, в котором большую роль играют нанокристаллы железа и графита, свободные атомы железа и железо-углеродные комплексы.
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. Лившиц Б. Г. Металлография: учеб. для вузов. М.: Металлургия, 1990. 236 с.
4. Марукович Е. И., Стеценко В. Ю. Наноструктурная теория металлических расплавов // Литье и металлургия. 2020.
5. Свойства элементов. Ч. 1. Физические свойства: справ. / Под ред. Г. В. Самсонова. М.: Металлургия, 1976. 660 с.
6. 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. I., Stetsenko V. Yu., Stetsenko A. V. Nanostrakturnaya 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]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1986, 440 p.
3. Livshic B. G. Metallografiya [Metallography]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1990, 236 p.
4. Marukovich E. I., 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.
5. Svojstva elementov. CH. 1. Fizicheskie svojstva: Spravochnik [Item Properties. Part 1. Physical Properties: Reference]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1976, 660 p.
6. 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
