CC BY
13
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2003 р. Вип. №13
УДК 621.745.65
Белов Б.Ф.1, Алексеева В.А.2, Троцан А.И.3, Скребцов A.M.4
СТРУКТУРНО-ХИМИЧЕСКАЯ ГОМОГЕНИЗАЦИЯ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ РАСПЛАВОВ
Показана принципиальная возможность оценки численных значений критических параметров (температуры перегрева, концентрации углерода) структурно-химической гомогенизации (тепловая обработка) железоуглеродистых расплавов с помощью полигональной диаграммы состояния системы железо-углерод, построенной во всем интервале концентраций и температур для твердых и жидких исходных компонентов.
Современная концепция создания "интеллектуальных" технологических процессов [1] основана на построении феноменологических моделей структурообразования. Они учитывают самоорганизующиеся временные и пространственные структуры, которые развиваются последовательно и кооперативно через молекулярные стадии вплоть до критических состояний, когда происходит спонтанная политипная или полиморфная перестройка нанообьектов, приобретающих новые "аномальные" свойства.
В связи с вышеизложенным становится актуальной проблема жидкофазной тепловой обработки металлов и сплавов, как способ реализации явления структурно-химической наследственности твердого и жидкого состояний металлургических систем, для получения материалов с заданным уровнем физико-механических свойств.
Основным технологическим параметром тепловой обработки расплавов (ТОР-процесс) является температура его перегрева до критических точек - точек гистерезиса, которые определяются экспериментально на политермах структурно-чувствительных свойств [2] или на термокинетических кривых нагрев-охлаждение [3] при высоких температурах и заданном химическом составе жидкого металла, что значительно снижает практические возможности применения ТОР-процесса.
Целью работы является оценка принципиальной возможности определения численных значений критических точек перегрева металла и критических (предельных) концентраций углерода с помощью полигональной диаграммы состояния системы железо-углерод без дополнительных экспериментальных данных по измерению температурных зависимостей физико-химических характеристик жидкой стали и чугуна.
Полигональная диаграмма состояния (ПДС) твердых и жидких железоуглеродистых сплавов системы железо-цементит представлена на рисунке как фрагмент общей диаграммы железо-углерод [4], построенной новым графо-аналитическим методом (ПДС-метод, [5]). На ординате чистого железа обозначены критические (фигуративные) точки, в которых проявляются аномальные физико-химические свойства в результате структурных превращений.
Структурные превращения в критических точках являются типичными активационными процессами структурообразования металлургических фаз, которые описывается в рамках разрабатываемой феноменологической теории МГС-фаз [6]. По этой теории металлургические расплавы относятся к ассоциированной жидкости, состоящей из упорядоченных трехмерных
т ГТД ТПГ т РАЗ
полиэдрических L . двумерных полигональных L и разупорядоченных L мононульмерных структурных компонент с различным типом химической связи. Сумма относительных долей структурных компонент принимается равной единице, а соотношение между ними определяется температурой. Мозаичная структура поликристаллического вещества, со-
1 ИПМ HAH Украины, канд. техн. наук, ст. науч. сотр.
2 ГТГТУ, ассистент каф. ТиКЛП
3 ИПМ HAH Украины, д-р техн. наук, проф.
4 ГТГТУ, д-р техн. наук, проф.
стоящая из субзерен, зерен и границ между ними, предопределяет многостадийный механизм образования жидкости при плавлении. При этом наследуется структурная и химическая микронеоднородность при разрушении поликристалла и обособлении зерен и субзерен в полиэдрические, а межзеренных границ в полигональные структуры. Дефекты кристаллической решетки (вакансии, дислокации и др.), а также отдельные атомы и их ансамбли (активированные атомы) с избыточной энергией на поверхности кристалла переходят в разупорядоченную зону жидкости.
На полигональной диаграмме состояния Fc-Fo,C (см.рис.) обозначены все известные ре-перные точки компилятивной диаграммы М.Хансена (1958 г), а также новые критические точки для твердых и жидких сплавов железо-углерод. На линии ликвидус, например, кроме известных точек, состав которых отвечает квазикарбиду Fe42C (0,51 %С; 1490 иС) - перитектика (т.П5), равновесная с Fes и пентакарбиду Fe5C (4,1 %; 1150 °С) - эвтектика (Эц), имеется вторая перитектика (т.Пу), равновесная с Fey и поликарбидом состава Fe^C (1,32 %С; 1400 °С), а также дополнительно «графитовая» эвтектика Fc, C (3,45 %С; 1200 °С). Линия ликвидус заканчивается монотектической точкой (т.Mi) плавления карбида железа Fe4C (5,10 %С; 1300 иС). Линия ликвидус полигональной диаграммы Fc-Fo,C имеет ступенчатый характер с изломами в точках А5 —> П5 —> Пу —> Эр —^ Эц —^ Мь по которым можно провести классификацию структурно-химического состояния сплавов железа с углеродом: (0,0 - 0,51 %С) - углеродистые сплавы и стали; (0,51 - 1,32 %С) - высокоуглеродистые сплавы и стали; (1,32 - 3,45 %С) - карбидостали; (3,45 - 5,10 %С) - чугуны. Карбидостали являются промежуточными между сталями с предельной концентрацией углерода 1,32% и чугунами с минимальной концентрацией углерода 3,45 %.
В соответствии с полигональной диаграммой состояния системы железо-цементит определены и сведены в таблицу температуры (критические) образования и степени перегрева жид-кофазных модификаций железоуглеродистых сплавов при заданных концентрациях углерода 0,0-5,10 %, отвечающих реперным точкам линии ликвидус. Критические температуры расплава находят в точках пересечения вертикальных линий (концентрационных ординат), проведенных при заданных концентрациях углерода, и линий ликвуса, ограничивающих области существования жидкости в различных структурных состояниях. При перитектической концентрации углерода (см. на рис. т. П5 при 0,51 % С), например, убывающий последовательный ряд критических температур имеет вид: ti (1830 °С; L|. v¡/L[,,)-> t2 (1630 °С; Ьпу/Ьд™)^ t3 (1550 °С; L.41 " /L| и степень перегрева над точкой ликвидуса 340 °С 140 °С 60 °С, соответственно. Анализ приведенных данных показывает, что при заданных концентрациях углерода для жидкого железа, стали и чугуна обозначены несколько критических температур, максимальное число которых достигает четырех для эвтектической точки Эц на линии ликвидус. Минимальная степень перегрева для достижения первых критических точек составляет 60-150 °С, независимо от концентрации углерода, кроме пограничных (аномальных) точек Пу и Мь отвечающих предельной растворимости углерода в стали (1,32 %) и в чугунах (5,10 %), соответственно. В этих точках при температурах ликвидуса образуются жидкие фазы, существующие в широком интервале температур перегрева (480-800 °С), равновесные первичным кристаллическим фазам (гуляевит, байковит). Это обеспечивает равновесную кристаллизацию при заданных скоростях охлаждения металлического расплава. В зависимости от содержания углерода изменяются равновесные структуры твердых и жидких сплавов: при С < 1,32 % ОЦК и ОЦТ, при С = 1,32-5,10 % ГЦК и ГЦТ, соответственно. При концентрации углерода в аномальной точке Пу (1,32 %С) происходят структурные превращения ОЦКтв—>ГЦКТВ и ОЦТж—>ГЦТЖ.
Критические (предельные) концентрации углерода находят в точках пересечения изотерм и линий-ликвуса на полигональной диаграмме. При 1600 °С, например, последовательный ряд критических концентраций (масс.%) углерода: С„(0.0)->С|(0.12)^С2(0.25)->С;,(0.7)->С4(3.4) -> С\(6.67) определяет ряд структурно-химической гомогенности расплавов железо-углерод:
ТЦЦ тп ПГ Т т т т,
La —> Lg —> L —» Ly —> LM| —> LM , соответственно. Известные экспериментальные данные [8] на изотермах (1550-1600 °С) кинематической вязкости железа с ростом концентраций углерода до 0,15-0,20 % показывают минимум, при 0,35-0,40 % С - максимум, потом снижение до минимума при 0,6-0,8 % С и постепенное увеличение до 1,3 % С, что свидетельствует в пользу изложенного механизма изменения структурно-чувствительных свойств.
Рис. - Полигональная диаграмма состояния системы железо-цементит
Таблица - Критические температуры и степень перегрева железоуглеродистых расплавов
Реперные точки линии ликвидус Критические температуры, °С Степень перегрева, °С
Условные обозначения Концентрация углерода, масс. % Температура, °С Ti т2 Т3 т4 ATi ат2 АТз дт4
а5 0,00 1540 1800 1640 - - 260 100 - -
П5 0,51 1490 1830 1630 1550 - 340 140 60 -
nY 1,32 1400 1880 - - - 480 - - -
Эг 3,45 1200 1720 1350 - - 520 150 - -
Эц 4,10 1150 1820 1460 1340 1230 670 310 190 80
Ml 5,10 1300 2100 1965 - - 800 665 - -
При наличии легирующих и примесных элементов в железоуглеродистых сплавах температуры ликвидуса и перегрева, в соответствии с углеродным эквивалентом, как правило, снижаются на 30-50 °С в зависимости от марочного состава стали и сплавов.
Выводы
Проведен анализ структурно-химического состояния железоуглеродистых расплавов и предложен метод определения критических параметров (температуры перегрева и концентрации углерода) тепловой обработки железоуглеродистых расплавов (ТОР-процесс) с помощью полигональной диаграммы состояний железо-цементит, построенной для твердых и жидких исходных компонентов новым графо-аналитическим методом, что дает принципиальную возможность прогнозирования и оптимизации технологии ТОР-процесса для чугуна и стали и является предметом дальнейших исследований.
Перечень ссылок
1. Дубровский С.А. К концепции создания «интеллектуальных» металлургических процессов / С .А.Дубровский // Сб. тр. международной научно-техн. конф. «Современная металлургия XXI века»,- Липецк,- 2001,- Часть I,- С.9-14.
2. Исследование особенностей температурной зависимости вязкости жидких сталей / Б.Ф.Белов, И.И.Борнацкий, И.А.Новохатский и др. // Изв. вузов. Черная металлургия,-1978,- №2,- С.29-34.
3. Аномалии свойств железоуглеродистых расплавов как показатель изменения их микростроения / А.М.Скребцов // Вестник Приазов. гос. техн. ун-та: Сб. науч. тр.- Мариуполь, 1999,- Вып.7. - С.84-93.
4. About the Iron-carbon Diagram / B.F.Belov, A.M.Skrebtsov, V.A.Alekseeva, A.I.Trotsan, V.D.Aleksandrov II 6th International School-Conference "Phase Diagrams in Materials Science", PDMS. -2001,- Kyiv: 2001,- P.34-35.
5. Свщоцтво про державну реестращю прав автора на TBip. ПА №2825 вщ 29.02.2000 р. Методика построения полигональных диаграмм состояния бинарных металлургических систем. /БеловБ.Ф., Троцан А.И., Харлашин П.С., Крейденко Ф.С.
6. Мезоморфизм и гармонические структуры вещества в твердом и жидком состояниях / Б.Ф.Белов, В.А.Алексеева, А.И.Троцан, В.Д.Александров //Тр. X Российск.конф. «Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов». - Изд.ЮУрТУ.-Екатеринбург-Челябинск. -2001.-Т.4.-С. 33-37.
7. Еланский Г.Н. Строение и свойства жидкого металла: технология-качество / Г.Н.Еланский, В.А.Кудрин.-М.:Металлургия. - 1984,- 239 с.
Статья поступила 07.11.2002
