Константин Ефанов - Механизмы неорганических реакций выплавки чугуна и стали

Термическая обработка предназначена для изменения структуры сплава (полиморфные превращения, ограниченная растворимость в твердом компоненте другого компонента сплава).

В результате полиморфного превращения α-железа в γ-железо, ограниченного интервалом между критическими точками А 1и А 3на диаграмме, происходит перекристаллизация стали (при нагреве и контролируемом медленном охлаждении).

При перекристаллизации образуются новая зернистая структура стали. Механизм образования зерен по данным [7,с.118] состоит в появлении центров кристаллизации и их роста диффузионным путем. На число центров кристаллизации влияют:

– отношение температур нагрева/охлаждения стали и полиморфного превращения,

– наличие примесей, влияющих на образование центров кристаллизации,

– пластические деформации стали, в результате которых металл течет,

– рекристаллизация.

Раствором внедрения углерода в объемно-центрированной кубической решетки α- и δ-железа является α- и δ- феррит .

Раствором внедрения углерода в гранецентрированной решетке γ-железе является аустенит .

__

Мартенсит при отпуске стали переходит в смесь цементита и феррита.

Структура α-феррита:

Сравнивая структуру феррита со структурами α-железа и цементита, делаем вывод, что структура феррита соответствует структуре, получаемой из α-железа введением углерода или из цементита Fe 3C удалением углерода и перестройкой решетки. Эти превращения происходят при выпплавки стали из чугуна.

Структура аустенита [9,с.146]:

Аустенит является раствором внедрения в γ-железо и соответствует структуре α-феррита после превращения при нагреве.

При закалке стали образуется структура мартенсита. Мартенсит является пересыщенным искаженным раствором углерода в α-железе, имеет структуру объемно-центрированной решетки. Мартенсит имеет игольчатую форму , высокую твердость, низкую пластичность и вязкость.

Структура мартенсита:

Мартенсит относится к неравновесной структуре стали, так как предельная растворимость углерода в α-железе превышается. Приведем получение мартенсита. При закалке (резком охлаждении) аустенит превращается в феррит при низких температурах и выход атомов углерода из решетки полученного феррита исключается. Образуется тетрагональная (не кубическая) объемно-центрированная решетка [7,с.120]. При нагреве мартенсита, углерод выходит из решетки и решетка приобретает кубическую структуру феррита. Вышедший углерод образует цементитные частицы, то есть образуется равновесная ферритно-цементитная смесь.

В научных целях на монокристаллах железа исследовалось влияние степени совершенства структуры железа на его свойства [25,c.223].

В разработке и создании новой техники монокристаллы позволяют получать детали с повышенными механическими характеристиками. Например, лопатки для авиационного двигателя [26].

Важным применение монокристаллической структуры в перспективе видится применение в изготовлении химических, нефтяных и газовых сосудов и аппаратов под давлением. По двум причинам как минимум:

1) исключение пространства между зернами повысит прочность металлического материала (листового материала, отливки и др.), а за счет этого снизится металлоемкость аппарата и повысится его безопасность (технологические установки являются опасными производственными объектами);

2) важной проблемой в нефтяном аппаратостроении является защита от межкристаллитной коррозии (МКК). Обычно защиту выполняют применением биметаллического листа со слоем 12Х18Н10Т или выполнением наплавки;

3) повышается жаропрочность стали.

Совершенная монокристаллическая структура не подвергается межкристаллитной коррозии (МКК) ! То есть, защита нержавеющим слоем не потребуется или его толщина будет уменьшена.

Таким образом, в технике применение стали с монокристаллической структурой принесет существенное улучшение показателей проектируемой техники.

Приведем структуру монокристалла (по-видимому никелевого сплава) по данным

О.Г. Оспенниковой [27]:

Как видно из рисунков [27], монокристаллическая структура стали не имеет границ между зернами, которые снижают физические характеристики металла.

__

Монокристаллическую структуру, как отмечает Каменецкая [25,с.219], можно получить в большинстве случаев кристаллизацией из расплава или рекристаллизацией после критической пластической деформации. Для железа кристаллизация из расплава вследствие полиморфических превращений δ-γ- и γ-α- появляются центры кристаллизации, что приводит к измельчению α-фазы. Циклические нагревы и охлаждения с переходом температуры α-γ-равновесия предназначены для измельчения зёрен. Деформация и отжиг снимают стимул рекристаллизации. Вместе с тем, α-γ-превращение ограничивает температуру рекристаллизационного отжига и повышение этой температуры вызывает рост крупных кристаллов. Каменецкая отмечает, что в сплавах железа с кремнием (свыше 3,5%) кремний выклинивает область γ-фазы, в результате сплав может быть нагрет до более высоких температур и за счет этого легко формируются монокристаллы.

Также Каменецкая указывает [25,с.219], что монокристаллы можно получить при фазовых превращениях без критической деформации. Важным является создание высоких температурных градиентов.

Каменецкая сообщает [25,с.221] о формировании монокристалла при зонном плавлении в среде аргоно-водородной смеси. Необходимо соблюдение постоянства температурного режима, объема жидкости и скорости ее перемещения. Превращения δ-γ- и γ-α- не оказали деструкционного влияния на рост монокристаллической фазы.

Каменецкая указывает [25,с.221], что содержание углерода до 0,1% затрудняет получение монокристалла и необходим отжиг в водороде, снижающий содержание примесей. Но в железе высокой степени чистоты с содержанием углерода 0,001% формирование монокристалла связано с трудностями из-за перехода железа в стабильную полигональную структуру. Поэтому, резюмируя два обстоятельства, для получения монокристалла в железо следует ввести примеси углерода, азота, кислорода для препятствования процессу перехода железа в полигональную форму. Также необходим определенный размер исходного зерна и его однородность. По данным Каменецкой [25,с.222] размер зерна от 0,05 мм до 0,14 мм. И при соблюдении параметров технологического процесса (поддержание температуры, скорости перемещения через печь не выше 3-12 мм/ч – скорость роста зерна, малая скорость деформации, деформация до 3,5%) получаются монокристаллы размерами до 200 мм. При этом количество примесей было достаточным для рекристаллизации. Каменецкая приводит данные о получении монокристаллов длиной до 600 мм и диаметром 5 мм методом деформации и отжига.