ковалентной связи между атомами железа. При растворении графита в жидком y-Fe происходит переход электронов из электронного газа вследствие повышенной электронной концентрации плазмы в S-полосу, затем в силу S <->d обмена - в d-полосу атомов. В результате этих переходов ослабляется резонансно-ковалентный компонент энергии связи между атомами железа из-за уменьшения числа d-электронов с неспаренными спинами. Это обстоятельство способствует уменьшению плотности, вязкости, поверхностного натяжения и увеличению электросопротивления.
Рассмотрим модель строения расплавов железо-углерод на базе анализа геометрического построения решетки железа. При анализе атомной решетки, состоящей из серии элементарных о.ц.к., можно выделить элементарные ячейки, имеющие отличную от о.ц.к. форму (рис. 4.13). Если провести параллельные секущие плоскости через парные взаимопротивоположные вершины и атом, находящийся в центре о.ц.к., то пересечение этих плоскостей дает элементарный объем, имеющий 8 или 12 размеров, близких по величине к размеру параметра г.ц.к., получаемого экспериментально. Остальные - параметры о.ц.к. Значение aFea на 9,82 % больше параметра г.ц.к. железа (aFcv = 3,656 Â). Объем этого гранецентрированного параллелепипеда - 47,31 А3, что почти соответствует объему элементарной ячейки Fe-, (48,867 А3). Превышение экспериментального объема составляет 3,56 %.
Рис. |
4.13. |
Схематическое |
изображение |
возможности |
образования элементарного объема |
||
решетки Fe и октаэдрической плоскости на основе совокупности элементарных ячеекрешетки Fe
Продолжая анализ геометрических построений атомных решеток железа, выделим другие геометрические объемы, например октаэдры, трехгранные призмы, гексагональные решетки. Интересен, на наш взгляд, анализ объема,
получаемого шестью атомами железа и дающего форму октаэдра А, Б, В, Г, Д, Е или двух смещенных основаниями пирамид с высотой пирамиды, равной
1
~ aFcT, и площадью основания, равной a"Fea для Fea и a'Fea, aFey для Fe.,. Для
железа, находящегося при температуре плавления, можно предположить, что высота пирамиды будет равна -1a FCn и площадь основания a“Fey. Интересен этот
объем тем, что он присутствует во всех модификациях железа. Увеличение или снижение температуры данной модификации вызывает изменение только одного или двух параметров. Так, повышение температуры Fea ведет к увеличению одной стороны основания до размеров Fe, при фазовом переходе. Дальнейший нагрев увеличивает вторую сторону основания до размеров
aFtr, = 3,656 Â и высоту пирамиды до размеров 2 * 4 . Интересен этот объем
тем, что атомы железа, располагаясь на его вершинах, в центральной части образуют безатомную зону. В этой зоне наиболее вероятно размещение углерода и других примесей при образовании карбидов железа и аустенита. Можно вычислить условный объем этой геометрической фигуры для Fea и Fe,.
Для Fea условный объем будет равен |
для Fey v = ^ aL-Vtf' |
Максимальный радиус поры в октаэдрической плоскости для Fea равен 0,376 А, а для Fey = 0,572 À.
Согласно геометрическим построениям ^ ^ - = >/2. Это же отношение по
экспериментальным данным равно |
= 1 , 2 7 5 . |
Разница в значении отношений - 9,84 %.
о
Радиус атомов углерода при ковалентной связи равен 0,777 А . При таком размере в Fea и Fey углерод раствориться не может. При встрече с локальными зонами квазирешетки железа, сохраняющими выше температуры плавления ближний порядок, атом углерода, вероятно, войдя в контакт с ней и далее проникая внутрь октаэдрической полости, отдает 4 электрона, увеличивая концентрацию коллективизированных электронов. При этом радиус катиона углерода уменьшается до 0,02 À. При таких размерах углерод уже может находиться в поре октаэдрической полости Fe.,, соответственно напрягая и искажая ее. Теоретически возможное количество растворенного углерода в шести смежных октаэдрических полостях приведено в табл. 4.2 и на рис. 4.14. Элементарный расчет показывает, что максимальная растворимость углерода в шести смежных октаэдрических полостях равна 28,57 ат. %, в то время как экспериментальная величина соответствует при 2400 °С 30 ат. % .
Таблица 4.2
Стехиометрическая формула карбида ж елеза _______________
Nc |
Расчетная стехиометрическая формула |
Концентрация углерода |
|
|
Л* |
|
|||
ат. % |
мае. % |
|
||
|
|
|||
1/15 |
FeisCî |
6,25 |
1.41 |
~~ |
2/15 |
FeisCa |
11,76 * |
2,78 |
|
3/15 |
FeisCî = Fe5C |
16,67 |
4.11 |
|
4/15 |
FeisC4 |
21,05 |
5,41 |
|
5/15 |
Fe^Cs = Fe3C |
25,00 |
6,67 |
|
6/15 |
FeisCe = FesC3 |
28,57 |
7,89 |
|
Рис. 4.14. Схема размещения атомов (катионов) углерода: а - размещение углерода в решетке по оси А-А; б - размещение углерода в шести смежных октаэдрических плоскостях
При малых скоростях охлаждения октаэдрическая полость медленно уменьшает свои размеры. При этом можно предположить, что возникающие в объеме напряжения создают очень высокое давление и как бы вытесняют из октаэдрической полости атомы углерода. Наличие дефектов или имеющихся рядом графитных комплексов обеспечивает размещение выжимаемых из октаэдрических полостей атомов углерода. При небольших скоростях охлаждения, относительно малых концентрациях углерода и отсутствии дефектов или графитных комплексов атомы углерода могут быть вытеснены в соседние октаэдрические полости, где Nc / N?e = 5 / 15 = 1 / 3, образуя ячейку цементита.
Вопросы для самоконтроля знаний
1.Охарактеризуйте зависимость плотности, кинематической вязкости, энергии активации вязкого течения, поверхностного натяжения и магнитной восприимчивости расплавов Fe-C от концентрации углерода.
2.Каковы структурные диаграммы для жидких сплавов с углеродом?
3.В какой форме присутствует углерод в расплавах Fe-C?
4.Охарактеризуйте структурно-чувствительные свойства железоуглеродистых расплавовтипа чугунов: вязкость, электросопротивление, плотность.
5.Какова модель строения железоуглеродистых расплавов (жидких чугунов)?
Библиографический список
1.Ващуров И. А. Механизм растворения углерода в жидком железе и его сплавах /
И. А. Ващуров // Изв. вузов. Черная металлургия. - 1978. - № 6.
2.Вертман А. А. Свойства расплавов железа / А. А. Вертман, А. М. Самарин. - М.
Наука, 1969.
3.Волошенко М. В. О состоянии углерода в жидком чугуне / М. В. Волощенко
[и др.] // Литейное производство. - 1976. - № 2.
4. Еланский Г. Н. Строение и свойства жидкого металла - технология - качество /
Г. Н. Еланский. - М. : Металлургия, 1984.
5.Жуков А. А. О возможности образования комплексов аренового типа в
железоуглеродистых сплавах / А. А. Жуков, Р. Л. Снежной // Термодинамика и
физическая кинетика структурообразования в стали и чугуне сб. трудов. - М. Изд-воВНИЛТЕХМАШ, 1967.
ГЛАВА 5. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПЛАВИЛЬНОГО ПРОЦЕССА
Из всех известных технологических приемов к наиболее сложным и наименее ясным по характеру протекания при этом явлении следует отнести технологию подготовки расплава к заливке, несмотря на многочисленные исследования и технологические рекомендации по данному вопросу. Известно, что многие металлические расплавы (комплексно-легированные стали, чугуны и цветные сплавы) склонны к микрогетерогенизации в жидком состоянии. Поэтому установление причины микрогетерогенизации металлических расплавов и ее связи со структурообразованием и физико-механическими свойствами позволяет разработать рекомендации по подготовке расплавов к заливке в литейную форму.
Целью плавильного процесса является получение металла заданного химического состава с минимальным содержанием растворенных газов и неметаллических включений, так как они существенно снижают механические и эксплуатационные свойства отливок и во многих случаях являются основной причиной брака литья.
На качество выплавленного металла влияют природа шихтовых материалов, тип плавильного агрегата, в котором производится плавка, и особенно технология плавки. В технологию подготовки расплава должны быть включены следующие операции независимо от типа плавильных агрегатов и металлических сплавов:
перегрев расплавов и выбор оптимальных температурно-временных режимов плавки и их легирования;
раскисление, рафинирование, дегазация и модифицирование; физико-механические воздействия на расплав (ультразвуковое,
магнитное, вибрационное и др.); термоскоростная обработка расплава.
Знание теоретических основ плавильного процесса позволяет разработать технологические основы производства отливок из различных металлических сплавов, включающие оптимальные составы шихты, режим плавки и способы обработки расплавов.
5.1.Влияние металлургической наследственности шихтовых материалов при выплавке металлических сплавов на их свойства
Одна из причин колебаний свойств отливок - чувствительность физико химических характеристик металлических сплавов к происхождению шихтовых материалов. Из практики литейного производства известно, что качество отливок и свойства сплавов зависят от множества факторов - структуры и качества шихтовых материалов, содержания неметаллических включений, газов и других вредных примесей (S, P, Bi, Pb и др.), технологических параметров плавки и т. д.
90