Легированные чугуны
Бобро Ю.Г.
Металлургия, 1976 г.
МОДИФИЦИРОВАНИЕ ЛЕГИРОВАННЫХ ЧУГУНОВ
Модифицирование относится к наиболее прогрессивным технологическим процессам, способствующим повышению практической ценности литейных сплавов. Применительно к серым легированным чугунам модифицирование позволяет активно вмешиваться в процессы кристаллизации графитной фазы, первостепенная роль в формировании этой категории сплавов общеизвестна. Поэтому вопросы практики и теории модифицирования занимают большое место в технической литературе [5, 6, 9, 10, 76, 90].
Среди разнообразных методов модифицирования первостепенное значение имеет обработка расплавов алюминиевых и других легированных чугунов добавками, вызывающими получение кристаллитов графита сфероидальной формы. Как уже отмечалось, за последние годы заметно уменьшился разрыв между теорией и практикой модифицирования."
В настоящее время в теории модифицирования сложились вполне определенные представления о природе подобных процессов. Согласно основным положениям существующих теорий, явления, сопровождающие модифицирование, объясняются:
а) образованием искусственно и естественно активных (изоморфных) центров кристаллизации (теория М. Г. Окнова);
б) возникновением адсорбции модификатора центрами кристаллизации (теория П. А. Ребиндера);
в) торможением диффузионных процессов (так называемое «модифицирование охлаждением»).
Вместе с этим многие важные аспекты теории модифицирования легированного чугуна добавками, сфероидизирующими графитные кристаллиты, все еще остаются дискуссионными. К числу таких проблем относятся вопросы выявления демодифицирующего и ремодифицирующего (терминология по А. А. Горшкову) эффекта как модификаторами, так и легирующими добавками.
В связи с этим обратимся к некоторым сведениям из области формообразования графитных включений в чугун ах.
Развитие атомной энергетики и расширение областей использования высокопрочных композитных материалов стимулировали постановку исследований природы такого вещества как графит. Благодаря этим работам, дополненным сведениями из литейного металловедения, в значительной степени прояснились основные аспекты строения и свойств графита. Определено, что графитные включения в сером чугуне независимо от их формы являются поликристаллическими образованиями [5, 51, 184], имеющими блочное строение. Экспериментально подтвержден дислокационный механизм их роста [5, 22, 184] и установлено, что шаровидная форма является стандартным обликом (равновесной формой) кристаллитов графита [5, 184, 185].
Доказано, что шаровидный графит огранен плоскостями базиса, обладающими минимальной межфазной энергией, а пластинчатый, кроме них, имеет по краям лепестков и призменные грани с довольно высокой межфазной энергией.
Таким образом, принцип Гиббса — Кюри — Вульфа не нарушается при признании шаровидной формы — естественной равновесной формой графита в чугуне [186].
Из области кристаллографии следует, что формирование кристаллита стандартного облика возможно лишь в случае высокой чистоты среды, из которой он образуется [185, 187]. Наличие же примесей может существенно изменить форму кристаллитов, если их активность не будет подавлена каким-либо способом.
В этой связи в последнее время все больше сторонников привлекает к себе теория формообразования графита в чугуне, базирующаяся на представленных выше положениях.
Возможность возникновения шаровидной формы графита уже давно экспериментально показана на относительно чистых Fe — С — Si, Ni — С- и Со — С сплавах. Рафинирование чугуна при вакуумном переплаве и очистка его при зонной плавке также создают условия для образования графитных включений шаровидной формы. Наконец, процессы модифицирования с помощью различных добавок и охлаждением, сопровождающиеся либо освобождением расплава от антиглобуляторов, либо подавлением их активности, вызывают в чугунах формирование графита в шаровидной форме.
Во всей случаях, естественно, все добавки и примеси должны быть поверхностно активными и адсорбироваться графитными включениями.
Многолетние опыты производства высокопрочных чугунов с шаровидным графитом и в их числе легированных позволяют считать, что основой технологии получения в их структуре графита шаровидной формы служит использование в качестве модификаторов Mg, Са, металлов цериевой и иттриевой групп. Установлено также, что к числу демодификаторов принадлежат S, О2, Н2, Bi, Pb, Sb, Sn и Ti, в меньшей степени А1 и Сu.
При этом следует иметь в виду, что при чрезмерно больших количествах вводимых в сплав модификаторов возможно ухудшение формы графита (явление перемодифицирования), т. е. модификаторы начинают выступать в роли демодификаторов.