CC BY
1
https://doi.org/10.21122/1683-6065-2024-3-41-44 Поступила 02.09.2024
УДК 621.745.35 Received 02.09.2024
СТРУКТУРНАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ ПРИ ЛИТЬЕ ЭВТЕКТИЧЕСКИХ ЧУГУНОВ
Е. И. МАРУКОВИЧ, В. Ю. СТЕЦЕНКО, Ассоциация литейщиков и металлургов Республики Беларусь, г. Минск, Беларусь, ул. Я. Коласа, 24. E-mail: [email protected]
А. В. СТЕЦЕНКО, МОУВО «Белорусско-Российский университет», г. Могилев, Беларусь, пр. Мира, 43
Показано, что эффект структурной наследственности при литье эвтектических чугунов можно объяснить с позиции наноструктурной кристаллизации литейных сплавов. Предложен механизм структурной наследственности при литье эвтектических чугунов. Этот механизм определяется устойчивостью центров кристаллизации микрокристаллов аустенита, графита, цементита. Показано, что устойчивость зависит от концентрации адсорбированных атомов кислорода. Чем выше концентрация, тем менее устойчивы центры кристаллизации микрокристаллов аустенита, графита, цементита в расплавах эвтектических чугунов, и наоборот. При увеличении перегревов и (или) времени выдержки расплавов в них повышается концентрация адсорбированных атомов кислорода. В результате снижается структурная устойчивость при переплавке эвтектических чугунов и нарушается эффект структурной наследственности.
Ключевые слова. Структурная наследственность, литье, чугуны, центры кристаллизации, адсорбция, нанокристаллы, атомы кислорода.
Для цитирования. Марукович, Е. И. Структурная наследственность при литье эвтектических чугунов /Е. И. Марукович, В. Ю. Стеценко, А.В. Стеценко // Литье и металлургия. 2024. № 3. С. 41-44. https://doi.org/10.21122/ 1683-6065-2024-3-41-44.
STRUCTURAL HEREDITY IN THE CASTING OF EUTECTIC CAST IRON
E.I. MARUKOVICH, V. Yu. STETSENKO, Association of Foundrymen and Metallurgists of Belarus,
Minsk, Belarus, 24, Ya. Kolas str. E-mail: [email protected]
A. V. STETSENKO, Belarusian-Russian University, Mogilev, Belarus, 43, Mira ave.
It has been shown that the effect of structural inheritance in casting eutectic cast irons can be explained from the standpoint of nanostructured crystallization offoundry alloys. Proposed is a mechanism of structural heredity when casting eutectic cast irons. This mechanism is determined by the stability of the crystallization centers of microcrystals of austenite, graphite, cemen-tite. This stability has been shown to depend on the concentration of adsorbed oxygen atoms. The higher this concentration, the less stable the centers of crystallization of microcrystals of austenite, graphite, cementite in melts of eutectic cast irons, and vice versa. With an increase in overheating and (or) the holding time of melts, the concentration of adsorbed oxygen atoms in them increases. As a result, structural stability during remelting of eutectic cast irons is reduced and the effect of structural heredity is disturbed.
Keywords. Structural heredity, casting, cast iron, crystallization centers, adsorption, nanocrystals, oxygen atoms. For citation. Marukovich E. I., Stetsenko V. Yu., Stetsenko A. V. Structural heredity in the casting of eutectic cast iron. Foundry production and metallurgy, 2024, no. 3, pp. 41-44. https://doi.org/10.21122/1683-6065-2024-3-41-44.
При литье чугунов наибольшее применение получили эвтектические чугуны. По структуре и свойствам их можно разделить на серый эвтектический чугун (СЭЧ) и белый эвтектический чугун (БЭЧ).
При литье чугунов экспериментально установлено существование эффекта структурной наследственности [1, 2]. Он состоит в том, что при невысоком перегреве и (или) малом времени выдержки расплава структура получаемых литых заготовок определяется структурой шихтовых отливок, то есть наблюдается их структурное соответствие. Объяснить это явление с позиции классической теории кристаллизации металлических расплавов затруднительно, поскольку в ее основе лежит постулат о том, что центрами кристаллизации микрокристаллов фаз являются неметаллические включения или интерметал-лиды. Но они при кристаллизации чугунов не удовлетворяют принципу структурного и размерного соответствия Данкова - Конобеевского [3].
Объяснить эффект структурной наследственности при литье чугунов можно с позиции нанострук-турной кристаллизации литейных сплавов [4]. Металлические расплавы являются равновесными нано-структурными системами [5]. Центры кристаллизации, состоящие из нанокристаллов фаз, удовлетворяют принципу структурного и размерного соответствия Данкова - Конобеевского, так как имеют одинаковую элементарную кристаллическую решетку с микрокристаллами фаз. Эффективность структурной наследственности при литье сплавов определяется концентрацией центров кристаллизации, которые сохраняют стабильность при температурах выше температур ликвидуса [6]. Это и определяет структурную наследственность при литье чугунов. Разработка ее механизма является целью настоящей работы.
Структура СЭЧ, при его кристаллизации, определяется микрокристаллами аустенита (Амк1) и графита (Гмк ) . При плавлении, больших перегреве и времени выдержки расплава СЭЧ Амк1 распадаются на элементарные нанокристаллы железа (Fe3Hl) и графита (Гэн1), свободные атомы железа (Feal) и углерода (Са1).
Процесс кристаллизации Амк1 является наноструктурным и происходит следующим образом. Сначала формируются структурообразующие нанокристаллы (Асн1) по реакции:
F(^h1 + Fea1 + Гэн1 + Са1 = Асн1 . (1)
Затем образуются центры кристаллизации (Ацк1) по реакции:
Асн1 + Fea1 + Са1 = Ацк1 . (2)
Заканчивается процесс кристаллизации Амк1 по реакции:
Ацк1 + Асн1 + Fea1 + Са1 = Амк1 . (3)
Из реакций (1) - (3) следует, что структура СЭЧ будет определяться концентрацией Ацк1. Чем она выше, тем более дисперсной становится структура отливок при их кристаллизации. При невысоком перегреве и (или) малом времени выдержки расплава СЭЧ Амк1 распадаются в соответствии с реакцией, обратной (3).
Кислород и водород растворяются в жидком железе в атомарном виде [7]. Эти атомы образуются при взаимодействии расплава с молекулами кислорода и воды атмосферного воздуха. Стандартные теплоты адсорбции атомов водорода и кислорода на железе составляют соответственно 143 и 570 кДж/моль [8]. Поэтому на элементарных нанокристаллах железа в чугунах преимущественно будут адсорбироваться атомы кислорода. При этом они будут устойчивы в расплаве, так как стандартная теплота образования оксида FeO меньше стандартной теплоты адсорбции атомарного кислорода на железе [8, 9].
При увеличении перегрева и (или) времени выдержки расплава СЭЧ в нем повышается концентрация атомов кислорода [7]. Они адсорбируются Ацк1 до определенной, критической концентрации. При ее превышении происходит распад Ацк1 по эффекту Ребиндера в соответствии со следующей реакцией:
{O} Ацк1 = {O} Асн1 + Асн1 + Fea1 + Ca1, (4)
где {O} - адсорбированные атомы кислорода.
Аналогичным образом распадаются Асн1, но при более высоком перегреве и (или) большем времени выдержки расплава СЭЧ.
При плавлении, больших перегреве и времени выдержки расплава СЭЧ Гмк распадаются на элементарные нанокристаллы графита (Гэн2) и свободные атомы углерода (Ca2). Процесс кристаллизации Гмк является наноструктурным и происходит следующим образом. Сначала формируются структурообразующие нанокристаллы (Гсн) по следующей реакции:
Гэн2 + Ca2 = Гсн . (5)
Затем образуются центры кристаллизации (Гцк ) по реакции:
Гсн + Ca2 = Гцк . (6)
Заканчивается процесс формирования Гмк по реакции:
Гцк + Гсн + Ca2 = Гмк . (7)
Из реакций (5) - (7) следует, что структура СЭЧ будет определяться концентрацией Гцк . Чем она выше, тем более дисперсной становится структура отливок при их кристаллизации. При невысоком перегреве и (или) малом времени выдержки расплава СЭЧ Гмк распадаются в соответствии с реакцией, обратной (7).
Стандартные теплоты адсорбции атомов водорода и кислорода на графите составляют соответственно 29 и 335 кДж/моль [10, 11]. Поэтому на элементарных нанокристаллах графита в чугунах преимущественно будут адсорбироваться атомы кислорода. При этом они будут устойчивы в расплаве, так как стандартная теплота образования оксида СО меньше стандартной теплоты адсорбции атомарного кислорода на графите [9, 11].
При увеличении перегрева и (или) времени выдержки расплава СЭЧ в нем повышается концентрация атомов кислорода [7]. Они адсорбируются Гцк до определенной, критической концентрации. При ее превышении происходит распад Гцк по эффекту Ребиндера в соответствии со следующей реакцией:
{О} Гцк ={0}ГСН + Гсн + Саз. (8)
Аналогичным образом распадаются Гсн, но при более высоком перегреве и (или) большем времени выдержки расплава СЭЧ.
Структура БЭЧ, при его кристаллизации, определяется микрокристаллами аустенита (Амк2) и цементита (Цмк ) . При плавлении, больших перегреве и времени выдержки расплава БЭЧ Амк2 распадаются на элементарные нанокристаллы железа ^еэн2) и графита (Гэнз), свободные атомы железа (^а2 ) и углер°да (Са3 ) .
Процесс кристаллизации Амк2 является наноструктурным и происходит следующим образом. Сначала формируются структурообразующие нанокристаллы (АСН2 ) по реакции:
^эн2 + ^а2 + Гэн3 + Са3 = Асн2 . (9)
Затем образуются центры кристаллизации (Ацк2 )
Асн2 + ^а2 + Са3 = цк2 (10)
Заканчивается процесс кристаллизации Амк2 по реакции:
Ацк2 + Асн2 + ^а2 + Са3 = Амк2 . (11)
Из реакций (9) - (11) следует, что структура БЭЧ будет определяться концентрацией Ацк2 . Чем она выше, тем более дисперсной становится структура отливок при их кристаллизации. При невысоком перегреве и (или) малом времени выдержки расплава БЭЧ Амк2 распадаются в соответствии с реакцией, обратной (11).
При увеличении перегрева и (или) времени выдержки расплава БЭЧ в нем повышается концентрация атомов кислорода [7]. Они адсорбируются Ацк2 до определенной, критической концентрации. При ее превышении происходит распад Ацк2 по эффекту Ребиндера в соответствии со следующей реакцией:
{О} Ацк2 = {О} Асн2 + Асн2 + Feа2 + Са3. (12)
Аналогичным образом распадаются Асн2, но при более высоком перегреве и (или) большем времени выдержки расплава БЭЧ.
При плавлении, больших перегреве и времени выдержки расплава БЭЧ Цмк распадаются на элементарные нанокристаллы железа ^е
эн3) (Гэн4
рода (Са4 ) .
Процесс кристаллизации Цмк является наноструктурным и происходит следующим образом. Сначала формируются структурообразующие нанокристаллы (Цсн ) по реакции:
^эн3 + ^а3 + Гэн4 + Са4 = Цсн . (13)
Затем образуются центры кристаллизации (Ццк ) по реакции:
Цсн + Feа3 + Са4 = Ццк . (14)
Заканчивается процесс кристаллизации Цмк по реакции:
Ццк + Цсн + Feа3 + Са4 = Цмк . (15)
Из реакций (13) - (15) следует, что структура БЭЧ будет определяться концентрацией Ццк . Чем она выше, тем более дисперсной становится структура отливок при их кристаллизации. При невысоком перегреве и (или) малом времени выдержки расплава БЭЧ Цмк распадаются в соответствии с реакцией, обратной (15).
При увеличении перегрева и (или) времени выдержки расплава БЭЧ в нем повышается концентрация атомов кислорода [7]. Они адсорбируются Ццк до определенной, критической концентрации. При ее превышении происходит распад Ццк по эффекту Ребиндера в соответствии со следующей реакцией:
{O} Ццк = {O} Цсн + Цсн + Fea3 + Ca4 , (16)
Аналогичным образом распадаются Цсн, но при более высоком перегреве и (или) большем времени выдержки расплава БЭЧ.
Таким образом, структурная наследственность при литье эвтектических чугунов определяется устойчивостью центров кристаллизации микрокристаллов аустенита, графита, цементита, которая зависит от концентрации адсорбированных атомов кислорода.
ЛИТЕРАТУРА
1. Никитин, В. И. Наследственность в литых сплавах / В. И. Никитин, К. В. Никитин.- М.: Машиностроение-1, 2005.- 476 с.
2. Курганов, В. А. Наследственность и новые технологии получения конструкционных чугунов / В. А. Курганов // Наследственность в литейных процессах: труды VII Междунар. науч.-техн. симпозиума.- Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2008.- С. 64-68.
3. Марукович, Е. И. Модифицирование сплавов / Е. И. Марукович, В. Ю. Стеценко.- Минск: Беларуская навука, 2009.192 с.
4. Марукович, Е. И. Наноструктурная кристаллизация литейных сплавов / Е. И. Марукович, В. Ю. Стеценко, А. В. Стеценко // Литье и металлургия.- 2022.- № 3.- С. 13-19.
5. Марукович, Е. И. Наноструктурная теория металлических расплавов / Е. И. Марукович, В. Ю. Стеценко // Литье и металлургия.- 2020.- № 3.- С. 7-9.
6. Марукович, Е. И. Пути решения проблемы структурной наследственности сплавов / Е. И. Марукович, В. Ю. Стеценко // Литье и металлургия.- 2019.- № 1.- С. 21-23.
7. Производство отливок из сплавов цветных металлов: учебник / А. В. Курдюмов [и др.] М.: Изд. Дом МИСиС, 2011.- 615 с.
8. Константы взаимодействия металлов с газами: справочник / Под ред. Б. А. Колачева и Ю. В. Левинского.- М.: Металлургия, 1987.- 368 с.
9. Физико-химические свойства окислов: справочник / Под ред. Г. В. Самсонова.- М.: Металлургия, 1978.- 472 с.
10. Адсорбция водорода в микропористых углеродных адсорбентах различного генезиса / А. А. Фомкин [и др.] // Физикохи-мия поверхности и защиты материалов.- 2019.- Т. 55.- № 3.- С. 227-233.
11. Вейлас, С. Химическая кинетика и расчеты промышленных реакторов / С. Вейлас. - М.: Химия, 1964. - 432 с.
REFERENCES
1. Nikitin V. 1, Nikitin K. V. Nasledstvennost'v lityh splavah [Heredity in cast alloys]. Moscow, Mashinostroenie-1 Publ., 2005, 476 p.
2. Kurganov V.A. Nasledstvennost' i novye tekhnologii polucheniya konstrukcionnyh [Heredity and new technologies for production of structural cast iron]. Nasledstvennost'v litejnyhprocessah: trudy VIIMezhdunar. nauch.-tekhn. simpoziuma = Heredity in foundry processes: works of VII Interunar. scientific-technical symposium, Samara, Samar. gos. tekhn. un-t, 2008, pp. 64-68.
3. Marukovich E. I., Stetsenko V. Yu. Modificirovanie splavov [Modification of alloys]. Minsk, Belaruskaya navuka Publ., 2009, 192 p.
4. Marukovich E. I., Stetsenko V. Yu., Stetsenko A. V. Nanostrukturnaya kristallizaciya litejnyh splavov [Nanostructured crystallization of foundry alloys]. Lit'e i metallurgiya = Foundry production and metallurgy, 2022, no. 3, pp. 13-19.
5. 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.
6. Marukovich E. I., Stetsenko V. Yu. Puti resheniya problemy strukturnoj nasledstvennosti splavov [Ways to solve the problem of structural heredity of alloys]. Lit'e i metallurgiya = Foundry production and metallurgy, 2019, no. 1, pp. 21-23.
7. Kurdyumov A. V. Proizvodstvo otlivok iz splavov cvetnyh metallov: uchebnik [Production of castings from non-ferrous metal alloys]. Moscow, Izd. Dom MISiS Publ., 2011, 615 p.
8. Konstanty vzaimodejstviya metallov s gazami: spravochnik [Metal-Gas Interaction Constants]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1987, 368 p.
9. Fiziko-himicheskie svojstva okislov: spravochnik [Physicochemical properties of oxides]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1978, 472 p.
10. Fomkin A. A. Adsorbciya vodoroda v mikroporistyh uglerodnyh adsorbentah razlichnogo genezisa [Hydrogen adsorption in microporous carbon adsorbents of different genesis]. Fizikohimiya poverhnosti i zashchity materialov = Physicochemistry of surface and protection of materials, 2019, Vol. 55, no. 3, pp. 227-233.
11. Vejlas S. Himicheskaya kinetika i raschety promyshchlennyh reaktorov [Chemical kinetics and calculations of industrial reactors]. Moscow, Himiya Publ., 1964, 432 p.
