» » Контактное плавление на границе феррит-графит
24.12.2014

При рассмотрении изменения структуры сплавов в процессе нагрева световыми импульсами и последующего охлаждения выше не уделялось специального внимания происходящим при этом химическим реакциям. Конечно, при таком процессе происходят реакции как в жидкой, так и в твердой фазе. Ниже приведены результаты некоторых экспериментов, поставленных с целью изучения этих реакций и их применения для направленных изменений структуры и свойств металлических сплавов и полупроводниковых материалов.
Исследовано явление частичного растворения графита в чугунах при действии лучей лазера. Исследовались образцы серого и ковкого чугунов различного состава с ферритной и феррито-перлитной основой и графитом в виде пластин и глобулей. Облучение производилось с помощью сфокусированных лучей лазера с энергией светового импульса около 30 дж и длительностью импульса около 10в-3 сек. Скорости нагрева при этом достигали 10в10 град/сек, что на несколько порядков больше скоростей при других, например индукционных, способах нагрева.
Металлографическое исследование зон с измененной структурой проводилось как на обычном микроскопе, так и на сканирующем отражательном электронном микроскопе, дающем возможность получать неискаженное изображение поверхности металла в отраженных и вторичных электронах с большим увеличением (использовались увеличения до 100 тысяч раз). Микроскоп дает глубину резкости гораздо большую, чем у оптического микроскопа, и позволяет получать профиль исследуемой поверхности.
Зона закалки из жидкого состояния в чугунах имела настолько дисперсную и плохо травящуюся структуру, что отдельные зерна не удавалось выявить при увеличении в 100 000 раз (скрытокристаллическая структура). В зоне термического влияния промежуточной между зоной закалки из жидкого состояния и зоной с исходной структурой, удалось наблюдать частичное растворение графита. В качестве примера на рис. 6.1, а приведена микрофотография серого чугуна, снятая в отраженных электронах с увеличением 6700. На фотографии хорошо видно, что между сплошной аустенитно-мартенситной зоной и исходной структурой расположена зона частичного растворения пластин графита. Тени на снимке подчеркивают, что в то время, как пластины исходного графита находятся ниже плоскости шлифа, области растворенного графита лежат выше плоскости шлифа, т. е. являются более твердыми, чем ферритная основа.
Контактное плавление на границе феррит-графит

Фотография пластин с большим увеличением (увеличение 3000, отраженные электроны) показала, что граница растворенной и нерастворенной зон и при этих увеличениях является очень резкой. Интересно сравнить профили поверхности шлифа при увеличении 20 000 для границы графит — зона растворения и графит — феррит. Такое сравнение проведено на рис. 6.1, б. Из профилей поверхностей видно, что при частичном растворении графита около впадины — графитной пластины, имеется выступ — зона растворения, в случае же границы между графитом и ферритом в исходной структуре такой выступ отсутствует. Существование выступа показывает, что в области растворения материал хуже шлифуется и травится.
Аналогичные результаты были получены и на чугунах со сфероидальным графитом. В качестве примера на рис. 6.2 приведена оптическая микрофотография области растворения частиц графита в ковком чугуне.
Контактное плавление на границе феррит-графит

Анализ размеров областей растворения показывает, что эти размеры достигают 10 мк. Время действия луча лазера составляет 10в-3 сек, что является верхним пределом времени нагрева в области растворения графита, так как за это время происходят и испарение и плавление материала. Коэффициент диффузии углерода в железе в твердом состоянии имеет порядок 10в-9 см2/сек, граница диффузионной области могла за это время переместиться только на 0,01 мк, т. е. на три порядка меньше наблюдаемой величины. Коэффициент диффузии углерода в жидком железе имеет порядок 10в-5 см2/сек, т. е. за время действия луча лазера диффузионная зона могла переместиться на 1 мк, что ближе к наблюдаемой величине, но также в несколько раз меньше.
Ферритная матрица, окружающая область растворения, судя по структуре, не переходила в жидкое состояние, специальное исследование железа показало, что область закалки из жидкого состояния при облучении имеет совершенно другую структуру. Можно считать, что в случае облучения имеет место контактное плавление на границе железо — графит, происходящее при температуре плавления эвтектики (1150°С), т. е. значительно ниже температур плавления компонентов. Возможность такого плавления при длительных выдержках прижатых друг к другу образцов железа и графита была показана в работе. В монографии Богачева указывается, что явление плавления отдельных участков в чугуне наблюдалось при некоторых режимах термообработки.
Таким образом, механизм наблюдаемого явления сводится, по-видимому, к следующему. При облучении в момент достижения эвтектической температуры начинается контактное плавление на границах феррит—графит. В области полного расплавления материала этот процесс идет вплоть до температуры плавления более легкоплавкого компонента — железа, при которой растворяется ферритная матрица. Частицы графита при этом могут не успеть раствориться целиком.
В той области, где температура не достигала точки плавления железа, происходило только контактное плавление на границе графит — углерод и превращение в аустенит в тех же областях, в которых температура достигала 910° С. Этот переход, как было показано экспериментами на чистом железе, приводит к измельчению структуры, также наблюдаемому у границы сплошной закаленной зоны.
Размеры области контактного плавления значительно превышают вычисленные (исходя из коэффициента диффузии). Это может означать, что область плавления находится в интервале температур 1150/1530°С на порядок дольше, чем время действия луча. Однако этот вывод мало вероятен, так как эксперименты по скоростному фотографированию показывают, что все процессы нагрева происходят в течение меньшего времени, чем время действия луча, а процессы охлаждения идут также очень быстро, так как очень малая нагретая область находится в холодной массе.
Отметим также, что области растворения часто находятся даже в той части матрицы, где не было специфического дробления зерен при превращении феррита в аустенит, т. е. температура была ниже 910° С.
Более вероятным является специфический механизм диффузии в условиях объемных изменений, связанных с фазовыми переходами, что приводит к значительному ускорению диффузии.
Представляют интерес дальнейшие эксперименты по поискам аналогичных эффектов в системах, где возможно контактное плавление при температурах, лежащих ниже температур плавления компонентов.
При анализе областей растворения включений графита в чугуне при действии световых импульсов следует иметь в виду возможность контактного плавления железа и графита при достижении эвтектической температуры 1150° С, т. е при температуре значительно ниже температур плавления как графита, так и железа в отдельности. Действительно, прямые эскперименты показали, что нагрев в вакууме образцов железа и графита, находящихся в контакте, приводит к совместному плавлению при 1150° С. Непосредственно примыкающий к графиту слой имеет микротвердость 250 кГ/мм2 и является зоной выпадения первичного цементита, претерпевшего почти полную графитизацию при охлаждении под воздействием непосредственно примыкающего к нему графита. Второй слой, имеющий наибольшую толщину, имеет структуру ледебурита с твердостью 1000 кГ/мм2. В этом слое встречаются участки с невысокой твердостью (350 кГ/мм2), представляющие собой отдельные зерна аустенита, твердость этих зерен превышает исходную твердость железа 175 кГ/мм2. Третий слой, примыкающий к железу, содержит иглообразные выделения цементита. Непосредственно примыкающий к ледебуритной эвтектике участок этого слоя лишен цементитных игл, вероятно, в связи с обратной диффузией углерода в слой эвтектики при ее застывании.