Возникновение дендритов на золотом покрытии. Дендриты - это что такое? Строение и функции дендридов. Смотреть что такое "Дендрит" в других словарях
Изображений дендритной структуры металлов в Интернете очень мало, не считая известной фотографии кристалла Чернова, да еще схемы из учебника А.П. Гуляева. Но уже если заниматься структурами металлов, то надо знать, как они выглядят. В таком деле, как металловедение, никакое описание не заменит реальных изображений структур, их рассмотрения, осмысления, анализа.
Итак, дендриты в металлах
. Прежде всего надо сказать, что дендритные структуры формируются, как правило, при кристаллизации из расплава.
Кристаллизация из жидкости
начинается появлением центров кристаллизации, т.е. точек, из которых продолжается дальнейшее построение кристаллов. В результате этого из жидкости начинают формироваться кристаллические образования разного вида. В исключительных случаях формируется кристалл, имеющий геометрически правильную форму - многогранника или полиэдра. Это происходит в тех случаях, когда внешние условия способствуют полному развитию кристалла (во всех направлениях).
В обычных условиях формируются кристаллы неправильных очертаний, которые называют кристаллитами. Различают кристаллиты двух видов
. В одном случае форма кристаллита приближается к многогранной, или же принимает округлые очертания. Такое образование называется зерном. В другом случае кристаллические образования имеют ветвистую форму с незаполненными промежутками, напоминающую деревце. Их и называют дендритами.
Дендриты являются начальной стадией формирования кристалла. Кристалл начинает формироваться от центра кристаллизации. При этом не получается плотная укладка кристаллических групп в один кристалл; сначала эти группы связываются друг с другом по определенным направлениям, образуя оси будущего кристалла.
Если условия кристаллизации таковы, что пространства между осями не успевают или не могут заполниться, форма дендрита сохраняется и ее можно наблюдать.
Дендри́ты (от греч. δένδρον — дерево) — сложнокристаллические образования древовидной ветвящейся структуры (wikipedia - статья «Дендрит(кристалл)»). Это определение очень удачное - дендриты действительно имеют ветвящуюся структуру, похожую на деревце. И это можно доказать. На рисунке 1 показан самый настоящий дендрит
. Он сформировался в процессе самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в системе Ni-Ti-O.
Рисунок 1. Истинный дендрит.
Дендрит является монокристаллом (т.е. одним кристаллом). представлена на рисунке 2. Сначала формируются оси первого порядка, потом на них зарождаются и растут оси второго порядка. Далее - третьего.
Рисунок 2. Схема формирования дендрита.
Как видно из представленных ниже рисунков, дендриты в металле по форме действительно представляют собой «веточки». Иногда говорят "ветви дендритов" .
Рисунок 3. Дендриты в алюминиевые сплавах : дендриты алюминиевого твердого раствора и эвтектика Al-Si.
 |
 |
| Аустенитный чугун ЧН15Д7 | Доэвтектический чугун |
Рисунок 4.
В реальном кристалле обычно видны оси первого и второго порядков, третьего - реже (в сущности, на их формирование просто не хватает времени - кристаллизация заканчивается). В общем, чем больше порядков видно, тем медленнее кристаллизовался сплав. Ниже на рисунке 5 показан дендрит, содержащий оси трех порядков. Третий порядок сформирован не полностью, в некоторых местах оси третьего порядка только намечаются. Ось первого порядка -зеленая стрелка, второго - синяя, третьего - красная.
Рисунок 5. Дендриты разных порядков в силумине.
Дендритные структуры различных сплавов подобны. По виду литой структуры не всегда можно понять, какой это сплав, в особенности при небольшом увеличении. Например, дендриты в стали, чугуне, меди и оксидной системе.
Рисунок 6. Дендритная структура в различных сплавах при увеличении от 100 х до 200 х.
Иногда дендрит имеет форму (принято говорить «морфологию»), свойственную совершенно определенным сплавам. Например, в заэвтектическом силумине (сплав алюминий-кремний. содержание кремния более 11,7%) при литье в землю формируются кристаллы кремния, имеющие дендритное строение. Это так называемые скелетные кристаллы кремния . Иногда говорят «скелетики» кремния . При более высокой скорости кристаллизации (литье в металлическую форму - кокиль) кристаллы кремния уже имеют полигональную форму. Встречаются, правда, и исключения...
Рисунок 7. Кристаллы кремния в заэвтектическом силумине.
При большем увеличении сплав легче определить: легированный силумин (дендрит кремнистой фазы), ферритный чугун (дендриты феррита), баббит (дендрит сурьмы ). Четвертый рисунок идентифицировать не просто - это структура, полученная самораспространяющимся высокотемпературным синтезом (возможно, дендрит интерметаллида на фоне эвтектики).
Рисунок 8. Характерные дендриты в различных сплавах.
Можно было бы спросить: зачем так много о дендритах?
Дело в том, что каждому материалу придают определенную структуру, исходя из практических целей. Например, чугуны "работают" в литом состоянии (их можно и деформировать, но это не является темой настоящей статьи). Сталь, как правило, поставляется в деформированном состоянии. Лист, пруток, полоса, лента - все это формы поставки стальных полуфабрикатов. Для получения таких полуфабрикатов исходно литая сталь проходит специальную обработку давлением при повышенных температурах. Литой структуры после такой обработки быть не должно. Поэтому, если она сохранилась, то это брак. Это показано на рис.9. Окружностью отмечен литой "скелетик" в стали. Мы еще вернемся к этой теме в разделе "Антипродукция ".
Рисунок 9. Остатки литой структуры в стали Р18 (изделие - метчик ).
Дендриты должны быть узнаваемы не только непосредственно в сплавах, но и во вспомогательных материалах, например в сплаве Вуда. Вид структуры сплава Вуда бывает разным. Это зависит от состава, а также "свежий" это сплав, или же многократно использованный. На рисунке 10 показаны дендриты в сплаве Вуда , многократно переплавленном. Естественно, что в таком сплаве достаточно много "грязи", попавшей в сплав при переплавах.
 |
 |
| а | б |
 |
 |
| в | г |
Рисунок 10. Дендриты в сплаве Вуда: а - светлопольное изображение ; б-г - дифференциально-интерференционный контраст .
Ледяные узоры узнаваемы всегда. Лед - это твердая форма существования воды, которая образуется в процессе кристаллизации (замерзания). Формы ее разнообразны. Кстати, дендриты льда можно видеть в каждой замерзающей луже (следует помнить, что вода в интервале температур от 0 до 100 0 С представляет собой расплав льда).
Рисунок 11. Дендриты льда различной морфологии (фото со стекла).
Снежинки - это тоже дендриты , только в форме звездочек.
А вот ниже показаны дендриты, которые мы, к сожалению, не столько видим, сколько чувствуем. Это кристаллы льда на поверхности тротуарной плитки. всерху - вода. После мороза наступила оттепель, пошел дождь. Плитка нагреться не успела по причине своей недостаточной теплопроводности. Вот часть дождевой воды и закристаллизовалась.
Рисунок 11. Дендриты льда на поверхности плитки, на которой все падают.
Следующие фотографии - это "дендриты на металлах ". На рисунке 13 представлены результаты промывки шлифа бериллиевой бронзы этиловым спиртом (вместо воды) после травления насыщенным раствором бихромата калия в серной кислоте. Промывка спиртом не удалась, реактив остался на поверхности и высох. При различных увеличениях на поверхности можно видеть кристаллы бихромата калия. Они имеют свой характерный цвет.
 |
 |
| а | б |
Рисунок 13. Дендриты бихромата калия на образце бериллиевой бронзы БрБ2.
В первой части статьи рассматриваются причины и методы устранения дефектов твердых хромовых покрытий, во-второй - способы предотвращения дефектов, их обнаружения и устранения.
На хромированной поверхности часто заметны дефекты. Правильно определить причины этих дефектов - такая задача стоит перед гальваниками и перед потребителями их продукции. Откуда и как возникают эти дефекты, то ли из-за применения неподходящего электролита, то ли плохого обращения с оборудо-ванием, то ли дефектов в самом металле, то ли каких-то других источников - все эти вопросы и рассматриваются в этой статье.
Необходимо понимать, что большинство дефектов твердых хро-мовых покрытий, таких как впадины, сетки, дендриты берут свое начало прежде всего в основном металле или на подготови-тельной поверхности предшествующей нанесению покрытия, стадии работ, и в меньшей степени эти дефекты возникают вследствие использования нестандартного электролита. Если заготовки получаются с широко распространенными дефектами, но хотя бы одна из них получилась с удовлетворительным покрытием, то маловероятно, что исполь-зуемый электролит бракованный. Как правило, причину или источ-ник дефектов следует искать в другом месте.
Однако всё ещё случается брак вследствие использования неподходящего электролита. С этого мы начнем.
Дефекты, вызванные применением нестандартных растворов.
Эти дефекты могут появиться, если подобран неправильный состав электролита или в нем скопились магнитные или другие частицы. Применение растворов с высоким отношением содержания хромовой кислоты к содержанию катализатора может приводить к образованию больших слегка окрашенных впадин диаметром до 3 мм (1/8 дюйма) "налипших корочек" или "полулуний. Эти дефекты характерны для растворов с низкой концентрацией катализатора.
Правильно сбалансированные растворы, но с высоким содер-жанием металлических включений приводят к заметно неровным и узловатым поверхностям покрытий, в большей степени, чем совершенно чистые растворы. Успешно применялись растворы с общей концентрацией железа и 3-х валентного хрома 10-15 г/л (1,5-2 унц/гал), но в покрытиях с толщиной более 0,13 мм (5 милов) при превышении концентрации Fе + ,Сr 3+ на 4 г/л(0,5унц/г)очень заметными были различия в получающейся шероховатости поверхности.
Плавающие в гальванической ванне, отлагающиеся в осадок неадгезионные и немагнитные частицы не влияют на покрытие вертикальных поверхностей. В большинстве гальванических ванн с хромом в не свежеприготовленным электролите содержится определенное количество нерастворимого хромата свинца, поступающего с анодов, а также сульфата бария из-за добавок карбоната бария. Некоторые находят выгодным фильтровать электролиты с хромом. Те, кто это делает, должно быть, получают высококачественное покрытие с толщиной слоя выше 0,18 мм (5 милов).
Однако применение вспомогательных средств может привести к загрязнению раствора и вызвать серьезные дефекты в твердых хромированных покрытиях. К категории вспомогательных средств относятся: гальваническая лента, пластиковые шарики, пласти-фикатор, лак для изоляции, проволочные (крацовочные) щётки.
Адгезионные частички от масла или от ленты стремятся всплыть на поверхность раствора и при погружении заготовки в ванну могут прилипнуть к ней. Такие частицы могут привести к нарушению процесса гальванопокрытия и к появлению точечных дефектов (питтинг).
Известно, что всплывающие пластиковые шарики, использу-емые для контроля испарения электролита собирают восковые и другие продукты расщепления и образуют липкую пленку. При погружении заготовки в ванну и при её соприкосновении с за-грязненными шариками, липкая пленка может перейти с поверхности шариков на поверхность заготовки, что может привести к дефектам покрытия. Кроме того гибкие полихлорвиниловые трубки могут выделять с поверхности жидкость, образуя при этом липкую плёнку вызывающую дефекты в местах контакта чистой заготовки с труб-ками. Постоянной причиной браков является неполное удаление лака для изоляции или воска.
Для их удаления нельзя исполь-зовать разбавители или растворители, так как остающуюся после промывки тонкую плёнку очень трудно обнаружить перед процессом гальванопокрытия. После нежелательной остановки процесса по-крытие сдирается ножом, заготовки зачищаются мелко зернистой наждачной бумагой, а затем пемзой или "меловым" порошком.
Различные магнитные (железные) частицы, например кусочки роторных проволочных щеток, вещество отделившееся от заготовки при травлении, отходы от непокрываемых внутренних поверхностей и мелкие частицы, уносимые с поверхности вращающихся контактов и подшипников; все эти частицы притягиваются к заготовке маг-нитным полем от электрического тока. Эти частицы прилипают к покрываемой поверхности, приводя к образованию узловых дефектов, несмотря на перемешивание раствора.
Меры, предотвращающие появление дефектов.
Надо делать следующее:
- Снимать накипь, загрязнения с поверхности резервуара и содержать в чистоте надводные борта.
- Устранять источник загрязнений.
- Увлажнять рабочую поверхность заготовки при погружении её в раствор.
- Тщательно очищать заготовку, полностью удалить масло, грязь,шлифовальные смеси.
- Не полировать, не шлифовать в месте нанесения гальванопокрытия.
- Содержать в чистоте стеллаж, лабораторные столы, резервуары для перевозки растворов, лотки и т.д.
- Лакировать края и кромки изоляционных лент, во избежание растворения латекса, клейкого в растворе.
- Очистку и травление заготовки производить в отдельных резервуарах (не в том, в котором проводится процесс гальвано-покрытия).
- Тщательно очищать все внутренние поверхности и надежно уплотнять их от попадания электролита.
- Никелировать или лудить вращающиеся станины втулки или кольца коллекторов.
Дефекты, возникшие при транспортировке.
До процесса гальванопокрытия необходимо с большой осто-рожностью переводить заготовку к месту покрытия, чтобы пре-дотвратить её соприкосновение с другими поверхностями.
Неосторожность приводит, например, к ряду впадин на по-верхности покрытий гидравлических штоков, которые были уложены кучами на тележках с металлическими колесами. Вибрация от ка-чания колёс по жесткому основанию приводила к фрикционной кор-розии на участках, расположенных вдоль линейных контактов между заготовками. Эту проблему удалось решить установкой на колёса тележки резиновых бандажей с целью снижения уровня виб-раций и применением бумажных прокладок между заготовками для того, чтобы предотвратить контакт между ними.
Сразу после отделочной обработки поверхности заготовки, эти поверхности,.полированные или нет, необходимо обернуть прадт-бумагой, чтобы защитить от каких-либо вредных воздей-ствий. Чтобы обеспечить надёжную защиту при самом напряжен-ном режиме работы, наверно, достаточно несколько слоев бумаги.
Также к появлению поверхностных дефектов может привести соприкосновение поверхности заготовки с катодной шиной.
При загрузке заготовки в резервуар в момент непредвиден-ного задевания её или контакта с катодной шиной, проска-кивает электрическая дуга, которая может привести к микропитингу (микроточечными дефектами). Контактирование поверхности заготовки с поверхностью анодов также приводит к серьезным дефектам. В любом случае заготовку, побывавшую в контакте с катодной шиной или с анодом, необходимо вытащить.из ре-зервуара (ванны) и снова соответствующим образом провести её отделочную обработку и перед повторным проведением процесса гальванопокрытия тщательно её осмотреть.
Часто дефекты могут образоваться и при небрежной перевоз-ке или загрузке заготовок. Поэтому рабочему персоналу необхо-димо очень тщательно соблюдать технологию перевозки или загрузки заготовок, а также быть очень аккуратными в своих действиях.
Дефекты в основном металле.
Если сам основной металл считать источником дефектов, то надо рассмотреть 2 вопроса: (1) механическая отделочная обра-ботка и другие способы подготовки поверхности и (2) металлур-гическая сплошность (цельность) структуры металла на самой его поверхности и вблизи.
Процессы механической отделочной обработки можно сравнить с работой плуга на пашне. Независимо от того, чем нарезается борозда одной ли точкой режущего инструмента или множеством точек шлифовальных кругов или хонинговальных брусков, каждая точка плуга образует борозду с поднятыми кромками по краям. В этих кромках обычно содержания осколки и микрозаусенцы метал-ла. Образованные таким образом острые кромки и кусочки металла становятся концентраторами высокой плотности тока, с которых и начинается осаждение хрома, что было продемонстрировано Джонсом и Кенезом в исследовательском проекте 1 4AES . В этих местах зарождаются узловые дефекты, которые доставляют много неприятностей при получении твердых хромированных покрытий. При шлифовке готового покрытия эти дефекты выкрашиваются, приводя к образованию впадин.
На фиг.1 показан вал из стали 4140, отшлифованный до чистоты 16 мкм и покрытый слоем хрома 0,5 мм (20 милов). На поверхности покрытия множество узлов и газовых включений. На фиг.2 показано в увеличенном виде газовое включение, дающее начало крупному дефекту основного металла. Хром на аноде рас-творялся. Микроскопическое исследование поверхности основного металла (Фиг.З) дало возможность обнаружить последствия ин-тенсивного шлифования. Так интенсивно проходило истирание основного металла, что происходило упрочнение поверхности и под действием растягивающих напряжений происходило образование трещин на поверхности, перпендикулярно направлению шлифовки.
Подобный вал (фиг.4) до гальванопокрытия подвергли отде-лочной механической обработке различными способами. По резуль-татам видно, что даёт каждый такой способ. Первоначально перед поступлением в лабораторию сплошной вал подвергался черновой шлифовке.
Участок окружной поверхности средней части вала не трогался совсем, а другие участки полировались (вручную абра-зивными материалами без использования суппорта (опорных элемен-тов)) на токарном станке набором наждачных бумаг; с постоянно увеличивающейся степенью зернистости: вначале со степенью зернистости 320, затем 400, затем применялась бумага с карби-дом кремния со степенью зернистости 600. Затем проводили об-работку по продольным участкам перпендикулярно направлению полирования бумагой окружных участков, по ширине эти продоль-ные участки охватывали примерно 1/4 - 1/3 окружности вала. Один участок полировался кругом с использованием смеси со сталь-ной стружкой. Другой участок продувался всухую частицами глино-зема со степенью зернистости 120. 3 участок обработке не подвергался. Полученные таким образом поверхности показаны на микроснимках на Фиг.5-10.
На фиг 5 показана шлифованная стальная поверхность до и после нанесения покрытия. Покрытие хрома крайне узловатое, с расположением узловых дефектов вдоль борозд от шлифовки.
На фиг.б показана поверхность, полированная бумагой, до и после нанесения покрытия. Линии от шлифовки, очевидные на фиг.5 (вверху), удалены, но заметны остаточные царапины и неровности. Однако хромированная поверхность получилась зна-чительно лучше, чем на фиг5 (внизу).
На фиг.7 все ещё заметны линии от шлифовки на шлифованной поверхности, продутой частицами глинозема; хромированное покрытие получилось очень узловатое (со многими сфероидальными дендритами). На фиг.8 показана поверхность, отполированная бумагой и продутая частицами глинозема. Линий от шлифовки заметно не больше, но в результате продувки на поверхности появилось очень много сфероидальных дефектов.
На фиг.9 показана шлифованная и полированная эластичным кругом поверхность. После полирования хромированная повер-хность стала удивительно гладкой. На шлифованной, полирован-ной бумагой и полированной эластичным кругом поверхности по-являются концентрированные пятна. По этим пятнам можно судить о вымывании ингибитора коррозии и наличии относительно глубоких царапин от шлифовки. Полировка наждачной бумагой конечно улучшила качество поверхности, но не была достаточно глубокой чтобы удалить все микронеровности, оставшиеся от шлифовки.
До нанесения покрытия вал анодно (с подключением к аноду) протравили в течение нескольких секунд, это сделано для того, чтобы свести к минимуму различные изменения состояния стальной поверхности. Затем поверхность вала хромировали в промышленной гальванической ванне, толщину слоя довели до 0,2 мм.
На примере видно, что отличную поверхность и покрытие мож-но получить только при полной зачистке микронеровностей, выз-ванных механической отделочной обработкой. Этого можно добиться, если снимать тонкий слой стружки заточенным, часто правленным абразивом, шлифовальным кругом, делая проходы последовательно один за другим и посредством это удаляя глубокие канавки и делая их мельче, их можно удалить последовательно полированием наждачной бумагой и (эластичным) кругом или продувкой частицами глинозема. Надо заметить, что заточенный, только что заправленный шлифовальный круг, надлежащим образом смазанный, может давать меньше неровностей поверхности, чем лощёный, притупленный или не правильно смазанный, более мелкозернистый шлифовальный круг.
Само шлифование может вызвать питтинг (точечные впаденки за счёт внедрения мелкозернистых частиц круга в поверхность металла. На фиг.11 показана такая мелкозернистая частица, отделившаяся от круга и внедрившаяся в поверхность. Для по-верхности, сильно отшлифованной лощеным, стертым кругом одной полировки недостаточно. Хотя поверхность может быть крайне гладкой, прилипший, но испытывающий растягивающее напряжение, хромированный слой позже может приподнять заусенцы и микро заусенцы, приводя к образованию сфероидальных дефектов. Поэтому до нанесения гальванопокрытия необходимо удалять эти заусенцы с поверхности основного металла. После осторожного шлифования или хонингования поверхности с удалением неровностей дальше для удаления последних микрозаусенцев можно применить несколько методов: полирование смазанной лентой, продувка паром, полирование кругомбез использования смазки, полирова-ние (эластичным кругом со стружечной смесью, суперфиниши-рование (или микрошлифовка) и электрополировка. Для получения дальнейшей информации по технологии шлифовки хорошим источ-ником является справочник по механической обработке металлов, выпущенной американским обществом металлистов, пара металла О Н 44073.
Слитков и отливок. Впервые дендритные кристаллы в стальных слитках были выявлены и подробно описаны в 1870 - 1880 г. Д. К. Черновым. При дендритной кристаллизации зародыши развиваются с разными скоростями в разных кристаллографических направлениях. Например, максимальный рост кристаллита металлов и сплавов с кубической решеткой происходит в трех взаимно перпендикулярных направлениях, соответствующих октаэдрическим осям. В результате образуются ветви - оси дендрита 1-го порядка, расходящиеся от центра кристаллизации определенными углами. При дальнейшем развитии кристаллизации от осей 1-го порядка под определенным углом к ним начинают расти поперечные ветви - оси 2-го порядка, а от них - оси 3-го порядка и т. д. В металлическом расплаве формируется остов древовидной формы будущего кристаллита. Остающаяся часть расплава между дендритными ветвями кристаллизуется, постепенно наслаиваясь на ветви. Размеры дендритных ветвей зависят только от одного фактора - скорости охлаждения в интервале температур кристаллизации (Смотри ). Закристаллизовавшийся дендрит-литое , выросшее из одного зародышевого центра, с той же кристаллографической ориентировкой. Соседние ветви дендритов могут быть разориентированы на несколько градусов из-за их изгибов и смещения при кристаллизации. Дендритное строение литых зерен металлов и в особенности сплавов хорошо выявляется при травлении микрошлифов и просмотре их с помощью светового микроскопа.
Энциклопедический словарь по металлургии. - М.: Интермет Инжиниринг . Главный редактор Н.П. Лякишев . 2000 .
Синонимы :Смотреть что такое "Дендрит" в других словарях:
ДЕНДРИТ - (греч. dendrites, от dendron дерево). Камень, преимущественно известняк, с природными древовидными изображениями на нем. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. ДЕНДРИТ греч. dendrites, от dendron, дерево.… … Словарь иностранных слов русского языка
Дендрит - [δένδρον (δендрон) дерево] древовидные агр., б. ч. фигуры роста, состоящие из отдельных сросшихся друг с другом в параллельном или двойниковом положении кристаллических индивидов (иногда из скопления… … Геологическая энциклопедия
дендрит - агрегат, кристалл, отросток Словарь русских синонимов. дендрит сущ., кол во синонимов: 4 агрегат (34) … Словарь синонимов
дендрит - Выросший из расплава кристаллит с древовидным строением. Дендритный рост кристаллов реализуется в большинстве случаев, напр, при литье слитков и отливок. Впервые дендритные кристаллы в стальных слитках были выявлены и подробно описаны в… … Справочник технического переводчика
ДЕНДРИТ - ветвящийся отросток нервной клетки (нейрона), воспринимающий сигналы от других нейронов, рецепторных клеток или непосредственно от внешних раздражителей. Проводит нервные импульсы к телу нейрона. Ср. Аксон … Большой Энциклопедический словарь
ДЕНДРИТ - ДЕНДРИТ, короткий разветвленный отросток нервной клетки (НЕЙРОНА). Он переносит импульсы внутрь клетки и передает импульсы другим нервным клеткам через короткие каналы, называемые СИНАПСАМИ. У одного нейрона может быть несколько дендритов … Научно-технический энциклопедический словарь
ДЕНДРИТ - [дэ], дендрита, муж. (от греч. dendron дерево). 1. Разветвляющийся отросток нервной клетки (анат.). 2. Кристаллическое образование древовидной формы (минер.). Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 … Толковый словарь Ушакова
ДЕНДРИТ - муж., греч. природное суковатое изображенье на камне, похожее на деревцо. Агат с деревцом, Дендритовый, дендритный, деревцовый; с дендритами, к ним относящийся. Дендролит муж. окаменелое дерево, адамова кость. Дендрология жен. часть ботаники и… … Толковый словарь Даля
ДЕНДРИТ - (от греч. dendron дерево), короткий ветвящийся цитоплазматич. отросток нейрона (дл. до 700 мкм), проводящий нервные импульсы к телу нейрона (перикариону). От тела большинства нейронов отходит неск. Д., ветви к рых локализуются около него. Д. не… … Биологический энциклопедический словарь
дендрит - а, м. dendrite f. <гр. dendron дерево. 1. Полудрагоценный камень, чаще разновидность халцедона, сердолик, сардер, агат или янтарь, структура которых создает внутри узор, подобный изображению деревца с ветвями. Отшлифованные дендриты благодаря… … Исторический словарь галлицизмов русского языка
дендрит - dendrite Dendrit мінеральний аґреґат (іноді кристал) деревоподібної форми. Утворюється з розчинів, пари або розплавів при швидкій кристалізації речовини в тріщинах, в’язкому середовищі тощо … Гірничий енциклопедичний словник
На сайте изложены основы технологии гальванических покрытий. Подробно рассмотрены процессы подготовки и нанесения электрохимических и химических покрытий, а также методы контроля качества покрытий. Описано основное и вспомогательное оборудование гальванического цеха. Приведены сведения по механизации и автоматизации гальванического производства, а также санитарии и технике безопасности.
Сайт может быть использован при профессиональном обучении рабочих на производстве.
Применение защитных, защитно-декоративных и специальных покрытий позволяет решать многие задачи, среди которых важное место занимает защита металлов от коррозии. Коррозия металлов, т. е. разрушение их вследствие электрохимического или химического воздействия среды, причиняет-народному хозяйству огромный ущерб. Ежегодно вследствие коррозии выходит из употребления до 10—15 % годового выпуска металла в виде ценных деталей и конструкций, сложных приборов и машин. В отдельных случаях коррозия приводит к авариям.
Гальванические покрытия являются одним из эффективных методов защиты от коррозии, они также широко применяются для придания поверхности деталей ряда ценных специальных свойств: повышенной твердости и износостойкости, высокой отражательной способности, улучшенных антифрикционных свойств, поверхностной электропроводности, облегчения паяемости и, наконец, просто для улучшения внешнего вида изделий.
Русские ученые являются создателями многих важнейших способов электрохимической обработки металлов. Так, создание гальванопластики — заслуга академика Б. С. Якоби (1837 г.). Важнейшие работы в области гальванотехники принадлежат русским ученым Э. X. Ленцу и И. М. Федоровскому. Развитие гальванотехники после Октябрьской революции неразрывно связано с именами ученых профессоров Н. Т. Кудрявцева, В. И. Лайнера, Н. П. Федотьева и многих других.
Проделана большая работа по стандартизации и нормализации процессов нанесения покрытий. Резко увеличивающийся объем работы, механизация и автоматизация гальванических цехов потребовали четкого регламентирования процессов, тщательного отбораэлектролитов для нанесения покрытия, выбора наиболее эффективных способов подготовки поверхности деталей перед осаждением гальванических покрытий и заключительных операций, а также надежных методов контроля качества изделий. В этих условиях резко возрастает роль квалифицированного рабочего-гальваника.
Основной задачей данного сайта является помощь учащимся технических училищ в овладении профессией рабочего-гальваника, знающего современные технологические процессы, применяемые в передовых гальванических цехах.
Электролитическое хромирование является эффективным способом повышения износостойкости трущихся деталей, защиты их от коррозии, а также способом защитно-декоративной отделки. Значительную экономию дает хромирование при восстановлений изношенных деталей. Процесс хромирования широко применяется в народном хозяйстве. Над его совершенствованием работает ряд научно-исследовательских организаций, институтов, вузов и машиностроительных предприятий. Появляются более эффективные электролиты и режимы хромирования, разрабатываются методы повышения механических свойств хромированных деталей, в результате чего расширяется область применения хромирования. Знание основ срвременной технологии хромирования способствует выполнению указаний нормативно-технической документации и творческому участию широких кругов практических работников в дальнейшем развитии хромирования.
На сайте развиты вопросы влияния хромирования на прочность деталей, расширено использование эффективных электролитов и технологических процессов, введен новый раздел по методам повышения экономичности хромирования. Основные разделы переработаны с учетом nporpecсивных достижений технологии хромирования. Приведенные технологические указания и конструкции подвесных приспособлений являются примерными, ориентирующими читателя в вопросах выбора условий хромирования и в принципах конструирования подвесных приспособлений.
Непрерывное развитие всех отраслей машиностроения и приборостроения обусловило значительное расширение области применения электролитических и химических покрытий.
Путем химического осаждения металлов, в сочетании с гальваническим созданы металлические покрытия на самых разнообразных диэлектриках: пластмассах, керамике, ферритах, ситалле и других материалах. Изготовление деталей из этих материалов с металлизированной поверхностью обеспечило внедрение новых конструктивно-технических решений, улучшение качества изделий и удешевление производства аппаратуры, машин, предметов широкого потребления.
Детали из пластмасс с металлическими покрытиями широко используются в автомобилестроении, радиотехнической промышленности и других отраслях народного хозяйства. Особенно большое значение процессы металлизации полимерных материалов приобрели в производстве печатных плат, являющихся основой современных электронных приборов и радиотехнических изделий.
В брошюре даны необходимые сведения о процессах химико-электролитической металлизации диэлектриков, приведены основные закономерности химического осаждения металлов. Указаны особенности электролитических покрытий при металлизации пластмасс. Уделено значительное внимание технологии производства печатных плат, а также даны методы анализа растворов, применяемых в процессах металлизации, и способы их приготовления и корректирования.
В доступной и увлекательной форме сайт знакомит с физической природой в особенностями ионизирующей радиации и радиоактивности, с влиянием различных доз радиации на живые организмы, способами защиты и предупреждения лучевой опасности, возможностями использования радиоактивных изотопов для распознавания и лечения заболеваний человека.
УДК 669. 13.62
Л.В. Палаткина
ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ В СЕРОМ ЧУГУНЕ
Волгоградский государственный технический университет
Выполнен анализ первичной структуры чугуна и рассмотрен возможный вариант её трансформации, влияющий на рост прочности в чугунных отливках.
Ключевые слова: серый чугун, композиционное упрочнение, дендрит, эвтектика, активность углерода (ас), прочность.
Введение
Большое количество исследований за длительный период производства различной продукции показывает, что серый чугун с пластинчатым графитом, оставаясь одним из самых дешевых и доступных материалов, обеспечивает надёжность и долговечность различных машин и механизмов. Однако чугун во многом не использует своих потенциальных возможностей и резервов, которые так необходимы для улучшения качественных характеристик изделий из него и расширения сферы его использования.
Недостаточные успехи производства в изготовлении высококачественных деталей машин и механизмов во многом являются следствием несовершенства подхода к процессам структурообразования серого чугуна. В тоже время применение принципиально нового композиционного подхода к строению одного из старейших литейных сплавов, является наиболее перспективным из существующих направлений. Композиционный подход основан на том, что в первом приближении первичная структура серого чугуна подобна структуре волокнистых композиционных материалов (ВКМ), армированных дискетными волокнами. Морфологические особенности структуры кристаллизации серого чугуна таковы, что при её формировании в течение первого этапа кристаллизации, образуя пространственный каркас, выделяются весьма совершенные образования: разветвлённые, цельнометаллические дендритные монокристаллы первичного аустенита, сохраняющие свою индивидуальную форму при последующих твердофазных превращениях. После достижения межденритной жидкостью эвтектического состава в виде ячеек кристаллизуется эвтектика, образуя тем самым непрерывную матрицу. Каждая ячейка имеет внешнюю металлическую границу, состоящую из легкоплавких ликватов, а внутренние объёмы находящегося в ней эвтектического аустенита разупрочнены, в зависимости от степени разветвлённости графитного монокристалла.
Предпосылки композиционного подхода были заложены в работах зарубежных и отечественных ученых Н. Г. Гиршовича, Г. А. Косникова, И. А. Иоффе, В. Паттерсона и Г. Н. Троицкого ; развиты в исследованиях В. А. Ильинского, Л. В. Костылевой, А. А. Жукова и нашли признание в трудах Б. Н. Арзамасова и Р. Эллиота . В связи с этим, изучение структуры серого чугуна и поиск на этой основе новых технических решений по повышению качества чугунных отливок является актуальной задачей, которая имеет как научное, так и прикладное значение.
Цель данной работы заключалась в изучении особенностей образования первичной структуры чугуна и анализе возможности её изменения для повышения прочности чугунных отливок.
Методика проведения исследований
Предметом исследования были серые машиностроительные чугуны с пластинчатым графитом марок СЧ 15 - СЧ 30, согласно ГОСТ 1412-85 (СТ СЭВ 4560-84). Степень эвтек-тичности исследуемых композиций чугунов изменялась в пределах от 0,82 до 1,0. Металло-
© Палаткина Л.В., 2012.
графический анализ первичной структуры серых чугунов проводили на шлифах, изготовленных из материала стандартных разрывных образцов (0 30 мм).
Дендриты первичного аустенита в сером чугуне при исследовании их методами оптической металлографии выявляли многократным травлением в смеси борной и серной кислот: борная кислота в количестве 10 - 30)г.; серная кислота - в объёме 100 мл. Травление кратковременное 6 - 10 с, после чего шлиф промывался проточной водой и слегка переполировы-вался.
Структура эвтектической кристаллизации для определения дисперсности эвтектических ячеек выявлялась травлением образцов реактивом, состоящим из 3 г CuSO4, 4 г пикри-
новой кислоты, 20 см концентрированной соляной кислоты и 100 см - этилового спирта. Наиболее четко эвтектические ячейки выявлялись после двух- и трехкратного травления и переполировки.
Количественные металлографические исследования с целью определения объемной доли дендритных кристаллов первичного аустенита (/дк) выполняли методом секущих на микроскопе Neophot - 21 при увеличениях от 10 до 100. Длину дендритов оценивали по наибольшему в данном сечении. Далее из выражения
где X - дендритный параметр - расстояние между центрами осей второго порядка, находили диаметр дендритных кристаллов.
Исследование морфологии дендритов выполняли на шлифах при увеличении от 3 до 100 раз с помощью оптической бинокулярной лупы МБС - 7 и оптических микроскопов Neophot - 21 и Olimpus BX61. Учитывая армирующую роль дендритов первичного аустенита, особое внимание уделялось их расположению относительно разрушающих нагрузок и упрочняемых ими ячеек эвтектики.
Для оценки дисперсности эвтектических ячеек, ограниченных сеткой фосфидной эвтектики, измеряли средний диаметр линейным методом, подсчитывая количество зерен на 1 см произвольной секущей не менее, чем в пяти местах шлифа при увеличении три-пять раз.
При идентификации природы аномальных дендритных кристаллов проводили качественный анализ микроликвации кремния по цвету плёнки SiO2, образующейся на поверхности шлифов при травлении их в кипящем водном растворе пикрата натрия. По мере убывания содержания Si в структурных составляющих чугуна цвет плёнки изменялся в следующем порядке: желто-зеленый, голубой, пурпурный, соломенно-желтый. По изменению интенсивности окрашивания отдельных микроликвационных зон строили варианты примерных профилей сегрегационных кривых, которые отражали усреднённые графические представления о распределении Si по сечению дендритных ветвей и в междуветвиях. Оценивали характер микроликвации кремния, однородность окраски в пределах каждой микроструктроной зоны, протяженность переходных зон изменения окраски, наличие скачкообразного изменения цвета и др.
Микрорентгеноспектральным анализом исследовали неоднородность армирующего дендритного каркаса чугуна по содержанию Si, Mn и S при непрерывном перемещении зонда и путём продолжительного (60 с) набора импульсов в отдельных характерных точках траектории, пересекающей дендритные ветви. Исследования микрохимической неоднородности распределения элементов по сечению армирующих дендритных ветвей серого чугуна выполняли на микрорентгеноспектральном анализаторе Super Prob-733.
Дюраметрические исследования изменения свойств дендритных ветвей проводили до и после термического воздействия.
Электронный растровый микроскоп РЭМ - 250 использовали для анализа разрушения серого чугуна с позиций рассмотрения его аналогии волокнистому композиту.
Термокинетические условия кристаллизации, в качестве возможной причины формирования аномальных дендритов, оценивали металлографически, сравнивая дисперсность первичной структуры в образцах чугуна обычного и аномального строения. При этом определяли:
Объёмную долю дендритов (/Дк);
Расстояния между ветвями второго порядка (X), мкм.;
Толщину дендритных ветвей, включая кайму мкм.;
Дисперсность ячеек эвтектики (0), мкм.;
Морфологию графитной фазы.
Все перечисленные измерения выполняли с применением известных методов количественной металлографии, достоверность которых обеспечивали достаточной базой измерений (> 30) и статистической обработкой результатов исследований.
Для измерения толщины дендритов использовали только поперечные сечения дендритных ветвей, находящихся в поле зрения в виде кругов или эллипсов. Толщины дендритов являются наименее удобными для измерения параметрами и для получения приемлемой точности требуют существенно большей базы, которая в этих исследованиях была увеличена до 100 - 150 измерений. Полагали, что разница в толщинах дендритов у аномальных и штатных чугу-нов могла стать информативным параметром для анализа особенностей кристаллизации наружных и внутренних микроструктурных зон в аномальных ветвях.
С позиций переохлаждения предусматривали также провести идентификацию графита в чугунах с аномальными структурами на предмет исключения или подтверждения возможности образования его вследствие распада карбидов. Для этих исследований намечали применение просвечивающей рентгеновской микроскопии тонких фольг чугуна на рентгеновском микроскопе МИР - 2 с острофокусной трубкой (анод вольфрамовый) для просвечивания фольг применяли излучение со сплошным спектром, имеющим максимум интенсивности на длине волны 0,2 нм (2 А). Подготовка образцов предусматривала вырезку чугунных пластинок толщиной 1 - 0,5 мм и последующее их утонение до фольги толщиной > 0,08 мм шлифованием на мелкозернистой бумаге вручную. Толщину фольги выбирали в соответствии с параметрами исследуемых элементов структуры.
Информативность объёмных изображений графитовых включений определялась их формой. Так, мелкие изолированные включения, хотя бы отдаленно напоминающие графит отжига, могли свидетельствовать в пользу распада карбидов, тогда как тонколепестковые розетки, растущие из одного центра, были бы характерными для выделения их из жидкой фазы.
Таким образом, сопоставительный анализ параметров первичной структуры в чугунах с аномальным и штатным строением дендритов позволял получить достоверную информацию о роли термокинетики кристаллизации в образовании аномалии.
Многообразие форм термодинамических воздействий на структуру чугуна требовало проведения предварительного анализа в рамках конкретной рабочей гипотезы, ограничивающей объём возможных вариантов исследований. В связи с этим, в качестве проверки рабочей гипотезы, объясняющей воздействие термодинамики кристаллизации на возникновение в дендритах высокоугловой границы, анализировали только возможность блокировки дендритного роста, например поверхностно - активными примесями.
Для определения содержания примесей предусматривали использовать фотоэлектрический квантометр ARL 3400. В сравнительных исследованиях штатных и аномальных образцов чугуна надеялись обнаружить различия в содержании примесей, обладающих положительной адсорбцией по Гиббсу. Наличие таких примесей могло кардинально изменять штатную дендритную кристаллизацию.
Результаты исследований
Проведённый анализ соответствия первичной структуры серого чугуна основным принципам упрочнения композитов с неориентированными дискретными волокнами показал, что первый принцип композиционного упрочнения ВКМ, заключающийся в том, что объёмная доля армирующих волокон в композите должна быть в переделах от 20 до 80 %, в чугуне выполняется.
Показано, что объёмная доля армирующих дендритных кристаллов (/Дк) в промышленных чугунах изменяется значительно: от 15 до 65 % (рис. 1).
/дк < 15 /дк Ä 25 /дк Ä 35 /дк « 45 /дк > 55
Рис. 1. Дендритная структура чугуна со степенью эвтектичности 0,82< Sc <1,0, приведенная толщина стенки отливки 15 мм, х 70
Следует также отметить, что объёмную долю дендритов (/Дк), выполняющих в чугуне роль армирующих волокон, современные литейные технологии позволяют в промышленных чугунах регулировать во всем интервале.
В результате исследований было установлено, что при прочих равных условиях с ростом количества дендритов в объёме металла прочность композиций чугуна увеличивается, но только до некоторого предела (~ 45 %), в котором происходит качественная смена зависимости, и прирост количества армирующих дендритов не находит отражения в увеличении прочности чугуна (рис. 2).
"Vi* ♦. к ♦ ♦♦Г «1 ♦♦ ♦ ф < * * ■
9ж* т ♦ X* ♦ ♦ « « ♦ < » 1
Рис. 2. Зависимость прочности (ов) серого чугуна при растяжении от объёмной доли дендритов (/ДК)
Для выяснения причин, приводящих к этому, исследовали распределение дендритов относительно приложенной нагрузки в поперечных и продольных сечениях чугунных разрывных образцов, имеющих при одинаковой объёмной доли существенно разные значения прочности.
При анализе было обнаружено, что чугун на стадии дендритного роста затвердевает в соответствии с классической теорией структурообразования. Оставив в стороне вопрос об
образовании зоны замороженных кристаллов, можно утверждать, что происходит образование двух зон. Первой зоны столбчатой кристаллизации, наблюдаемой с внешней поверхности образца и состоящей из дендритов с параллельными осями I порядка, и второй зоны равноосных кристаллов с беспорядочно ориентированными дендритами в его центральных участках, протяженность, которой варьировалась от 0,1 - 0,5 до 1,5 мм.
Таким образом, распределение дендритов относительно приложенной нагрузки различно и может быть стохастическим, транскристаллитным и смешанным (рис. 3).
«СТОХАСТИЧЕСКОЕ» «СМЕШАННОЕ, ЗОНАЛЬНОЕ» «ТРАНСКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ»
ПРОДОЛЬНОЕ Е И ш шш
ПОПЕРЕЧНОЕ Щ Е Ч Е С в
СХЕМА ёШь, ♦
Рис. 3. Распределение дендритных кристаллов в объёме стандартных разрывных образцов, х 15
Транскристаллитное строение дендритных кристаллов, имеющих развитую ось I порядка и малую длину осей II порядка, наблюдается только при их высокой объёмной доле, и, как правило, направление осей I порядка перпендикулярно приложенному напряжению, что и вызывает уменьшение сопротивления чугуна распространению магистральной трещины, траектория которой легко огибает ветви дендритного каркаса, не пересекая их. Это приводит к тому, что увеличение объёмной доли дендритных ветвей не повышает прочности композиции в целом.
При отсутствии зоны столбчатой кристаллизации примерно в 45% случаях наблюдалось полностью стохастическое распределение армирующих дендритов, соответственно 35% приходилось на смешанное строение. В остальном объёме исследованных образцов было обнаружено (хотя и не имеющее сплошного фронта, а занимавшего только часть объёма в образце) явление транскристаллизации.
Исследования показали, что в промышленных чугунах длина дендритных кристаллов во много раз больше их диаметра 1дк = (3 ^ 16) ± 0,94 мм, ^дк = (20 ^ 28) ± 0,85 мкм, следовательно, отношение длины дендритов к их диаметру (/дк / ^дк) превышает минимально необходимую для волокнистых композиционных материалов величину, которая должна быть более 10.
В то же время при высокой объёмной доле дендритов наблюдается их пакетное строение (рис. 4). Дендритные кристаллы занимают при этом довольно большой объём, так как во время затвердевания разрастаются во всех направлениях.
Относительно приложенной нагрузки дендритные кристаллы имеют пакетное строение и стохастическую ориентацию, а магистральная трещина при распространении либо вызывает их разрушение, либо изменяет своё направление, огибая их, что, несомненно, повышает сопротивление материала разрушению. Чугуны с такими структурами расположены, как правило, на верхнем участке зависимости (рис. 2), обеспечивая прочность ~ 300 МПа.
Рис. 4. Пакетное строение дендритных кристаллов в чугуне, х 7
Показано, что в серых чугунах с разным количеством дендритов степень влияния размера ячеек эвтектики на прочность неодинакова. Повышение прочности под действием увеличения дисперсности ячеек матрицы наблюдается в чугунах с объёмной долей дендритов не более 25 %, а также в чугунах с высоким содержанием дендритов (> 45 %), т. е. когда упрочняющее действие дендритов ослаблено либо недостаточно (рис. 5).
Рис. 5. Зависимость прочности (ов) чугуна от диаметра ячеек эвтектической матрицы (-ОЯЧ)
Следующий принцип композиционного упрочнения ВКМ требует, чтобы в композите прочность волокон была больше прочности матрицы (ов ВОЛОКНО >> ов МАТРИЦА).
В сером чугуне при кристаллизации происходит обогащение дендритов первичного аустенита графитизирующими элементами, которые повышают активность углерода (ас), при этом карбидостабилизирующие элементы (которые снижают ас) обогащают эвтектическую составляющую. Такие особенности микроликвации компонентов вызывают перепад активности углерода Дас между микроликвационными зонами «дендрит - эвтектика». Чугун стремится к выравниванию активности углерода, но из-за низкой диффузионной подвижно-
Ш v j ¿¿г tri /ДК = 35.4 5
\ 1 fei J ■ v" iN« ■■ ■ >■15 Г. "Н /ДК = 15.25 я-
/дк = 5- 5...6 /дк = 45.5- щ ■ ■ щ ■ ■ л ■
300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200
сти компонентов выравнивание ас осуществляется только за счёт массопереноса самого углерода из дендритов в эвтектику. Образовавшаяся ликвационная поляризация элементов обладает повышенной стойкостью и сохраняется при охлаждении как до интервала эвтектоид-ного превращения, так и до комнатной температуры, а также сохраняется и усугубляется при последующих повторных технологических или эксплуатационных докритических нагревах чугунных отливок .
Данная особенность микроликвационного распределения элементов снижает не только армирующую способность дендритного каркаса, но и прочность чугуна в целом. Так как эвтектоидное превращение формирует в дендритах вместо сорбитообразного перлита с прочностью 800 МПа, менее дисперсный, а следовательно, менее прочный перлит, или свободный феррит с прочностью менее 400 МПа . В работе было установлено, что разупрочняющее действие феррита, расположенного в первичных дендритах, в 15 - 20 раз сильнее, чем феррита, находящегося в эвтектической матрице.
Осуществление условия (ов
А) возможно, например, за счёт применения
низкомарганцевого чугуна со сбалансированно сниженным содержанием Si, что уменьшает склонность к ферритизации и разупрочнению дендритных ветвей . Однако при металлографических исследованиях промышленных серых чугунов были обнаружены дендритные ветви с сорбитом в сердцевине (НУ 269 - 316), который окружен ферритной (НУ 128 - 98), или перлитной (НУ 239) оболочкой (рис. 6 а, б).
Рис. 6. Структура дендритных кристаллов с сорбитообразным перлитом (а), х 100, и фрагменты ветвей (б) в ферритной (верх) и перлитной (низ) оболочках, х 500. Перераспределение углерода в сечении аномальных дендритов при термическом воздействии, х 500:
в - литая структура; г - обезуглероживание каймы. (Травление 4 % HNO3)
Термическая стойкость сорбита в центральных зонах дендритов аномального строения оказалась намного выше, чем перлита в штатных дендритах. И даже при полной ферритизации оболочек грубопластинчатого перлита (рис. 6, в, г), сопровождающейся резким падением в этих зонах значений микротвёрдости, а следовательно, и их прочности, прочность внутренних зон за счет стабильной сорбитообразной структуры сохранялась практически неизменной.
Аномальные дендритные структуры были обнаружены и в чугуне ваграночной плавки (1 плавка на 148 исследованных) и в электропечном чугуне (3 плавки на 106 исследованных) или 0,67 % и 2,83 % соответственно.
В чугуне также необходимо выполнение ещё одного принципа композиционного упрочнения: условия реализации прочной связи между упрочняющими волокнами и матрицей.
Исследования, проведенные с использованием растровой электронной микроскопии, показали, что армирующие дендриты, являясь наиболее прочными структурными элементами, не в полной мере воспринимают разрушающие напряжения и как бы «отслаиваются» от малопрочной эвтектической матрицы (рис. 7). На поверхности разрушения обнажается, по существу, неразрушенный дендритный каркас, наблюдаются выступающие дендритные ветви и регулярно расположенные полости, из которых дендритные ветви «выдернулись», т. е. в чугуне проявляются особенности разрушения, характерные для волокнистых композитов.
Рис. 7. Поверхность разрушения чугуна:
а - армирующая дендритная структура на поверхности излома, световая микроскопия, х10; б - выступающие армирующие дендриты, х 50; в - полости от "выдернувшихся" дендритов, растровая электронная микроскопия - РЭМ 250, х 100
Выполнение требования - усиления связи дендритов и эвтектической матрицы -также возможно реализовать за счет формирования в чугуне аномальной дендритной структуры в виде сорбитообразных дендритных ветвей окруженных сплошной «буферной» ферритной или перлитной оболочкой.
Принципиально важным представляется тот факт, что у всех заготовок чугуна с аномальной структурой дендритов была обнаружена совершенно одинаковая ферритно-графитовая эвтектика с вырожденной формой междендритного графита (рис. 6).
Крайне нежелательная, с точки зрения влияния на прочность чугуна, морфология графита в ферритной матрице, тем не менее, не проявила себя отрицательно в анализируемых композициях. Более того, сравнительно высокие значения прочности в пределах 245-290 МПа при относительно низкой твердости НВ 184-217 МПа обеспечивали этим чу-гунам хорошие показатели качества К = св / НВ.
Изучение истинной формы графита методом просвечивающей микрорентгенографии тонких фольг чугуна показало его монокристальное строение в объёме каждой эвтектической ячейки и "непрорастание" через границу в соседние ячейки (рис. 8).
Рис. 8. Характер графита в чугуне с аномальной вторичной структурой дендритов, х 100:
а - оптическая микроскопия; б - просвечивающая микроскопия Хотя этого нельзя обнаружить при изучении оптической микроскопией, определяющей только их размер, который в аномальных чугунах был достаточно большой.
Обнаружено, что дисперсность аномальных дендритных структур достаточно низкая, так как расстояние между ветвями второго порядка X аномальных дендритов составляет 34 мкм, а чугуна штатной кристаллизации 25. Толщины дендритных ветвей с оболочками превышают размеры ветвей в штатных образцах чугуна примерно в 1,4 - 1,8 раза .
Проведенные исследования позволили установить, что термокинетические условия кристаллизации в качестве возможной причины формирования аномальных дендритов не являются определяющим фактором.
Однородные ферритные оболочки (рис. 9, а) аномальных дендритов при цветном травлении (рис. 9, в) приобретают неоднородную окраску, которая характеризует, что внутренняя часть оболочки аномального дендрита содержит кремния меньше, чем центр дендрита, а наружная его превышает.
Рис. 9. Микроликвационная неоднородность аномальных дендритных ветвей чугуна,
ферритная оболочка:
а - травлено ниталем, х 100; б - травление в кипящем пикрате натрия х 100; в - нутренняя граница аномального дендрита х 2500
Внутренняя высокоугловая граница (рис. 9, в), отделяющие внешние оболочки от центра в дендритном кристалле, имеет достаточную толщину, хотя и появляется только в некоторых ветвях как с ферритными, так и с перлитными оболочками. Также при анализе были идентифицированы ветви без внутренних высокоугловых границ. Установлено, что при этом всегда визуально отличимой остаётся тонкая внешняя ферритная оторочка, которая окрашена так же, как эвтектический аустенит, но не образует внутри дендрита видимой границы. Она сливается с фоном при обычном травлении и отсутствует у дендри-тов штатной кристаллизации.
Построенные на основании визуальных оценок изменения цвета и интенсивности окрашивания варианты примерных профилей сегрегационных кривых показали качественный характер сегрегации Si по сечению ветвей в аномальных дендритах (рис. 10). Скачкообразное изменение концентрации Si свидетельствует о многослойном строении аномальных ветвей, включающем в себя последовательно затвердевшие элементы трёх микроликвационных зон: дендритов первичного аустенита, избыточного аустенита внутренней оболочки и осажденного аустенита внешней оболочки.
К концу дендритного роста оставшаяся междендритная жидкость чугуна всё ещё не достигает эвтектической концентрации, и из неё выделяется избыточный аустенит, осаждаясь на первичных дендритах. И хотя к началу эвтектического превращения наслоение избыточного аустенита из междендритной жидкости завершает формирование обо-
Полученные результаты были в дальнейшем подтверждены данными микрорентге-носпектрального анализа . Сканограммы распределения кремния, марганца и серы представлены на рис. 10.
Рис. 10. Качественный характер сегрегации элементов по сечению ветвей
в аномальных дендритах:
а - качественная схема изменения сегрегации Si по радиусу аномального дендритного кристалла при последовательной смене механизмов роста твёрдой фазы: 1 - первичный аустенит (непрерывный рост); 2 - избыточный аустенит (послойный рост); 3" - осажденный аустенит; 3 - эвтектическая смесь; б - изменение интенсивности характеристического излучения элементов (Мп, Si и S) дендритах аномального строения. Справа увеличенный фрагмент скано-граммы участка трассы с усреднением сегрегационной кривой кремния
Таким образом, по профилю сегрегационных кривых удалось идентифицировать разные механизмы роста твёрдой фазы, сменяющие друг друга в условиях реального з а-твердевания технических чугунов.
Дальнейшие исследования выполнялись в рамках допущений гипотезы о термодинамической природе обнаруженных аномалий дендритной структуры. Предположили, что наиболее вероятно возникновение в чугуне аномального строения дендритных кристаллов связано с блокировкой дендритного роста поверхностно - активными примесями.
Анализ химического состава каждого из чугунов, имеющих такую структуру (рис.6), выявил наличие примесей обладающих положительной адсорбцией по Гиббсу, суммарное количество которых вполне могло стать причиной преждевременного блокирования дендритного роста (табл. 1).
Таблица 1
Аs 8п РЬ 2п Б1 8е В
0,006 - 0,008 0,006 -0,009 0,001 0,001 -0,004 0,005 - 0,008 0,001 0,001 -0,005 0,001
Полученные данные (табл. 1) позволили подобрать состав комплексной добавки, введенной в расплав чугуна, и получить дендриты аномального строения (рис. 6). При этом прочность полученный чугунов находились в пределах марок СЧ 30 - СЧ 35, а штатных чугунов марок СЧ 20 - СЧ 25.
На основе проведенных исследований установлена значимость параметров первичной структуры серого чугуна, ответственных за повышение прочности в чугунных отливках. Показано, что объёмная доля дендритов в промышленных чугунах изменяется от 15 до 65 %. При этом при прочих равных условиях с ростом количества дендритных кристаллов в объёме материала прочность чугуна увеличивается, но только до некоторого предела (~ 45 %), что определяется распределением дендритов в объёме материала относительно приложенной нагрузки и их строением. Дальнейшее увеличение количества дендритов в материале не влияет на изменение величины прочности в сторону понижения или повышения его значения.
Показано, что в промышленных композициях чугуна с разным количеством дендритов степень влияния размера ячеек эвтектической матрицы на прочность неодинакова. Повышение прочности под действием увеличения дисперсности ячеек эвтектики наблюдается в чугунах с объёмной долей дендритов не более 25 %, а также в чугунах с высоким содержанием дендритов (> 45 %), т. е. когда упрочняющее действие дендритов ослаблено либо недостаточно.
Проведенные исследования выявили ранее неизвестные пути трансформации дендритной структуры чугуна, основанные на взаимосвязи между его составом и закономерностями структурообразования, что позволило разработать на этой основе новый метод регулирования прочностных свойств чугунных отливок.
Библиографический список
1. Гиршович, Н. Г. Первичная структура как критерий оценки механических свойств серого чугуна / Н. Г. Гиршович, А. Я. Иоффе, Г. А. Косников // Прогрессивное формообразование, металловедение и термическая обработка. Ленингр. дом науч.- техн. пропаганды. 1968. - 30 с.
2. Паттерсон, В. Микроструктура чугуна и его свойства // 29-й Международный конгресс литейщиков. - М.: Машиностроение, 1967. С. 55-63.
3. Троицкий, Г. Н. Свойства чугуна / Г. Н. Троицкий; под ред. М. Г. Окнова. - Ленинград -Москва: Государственное научно-техническое издательство литературы по черной и цветной металлургии 1941. - 290 с.
4. Ильинский, В. А. О композитном характере структуры кристаллизации чугунов с различной степенью эвтектичности / В. А. Ильинский, Л. В. Костылева // Изв. АН СССР. Металлы.
1986. № 5.C. 116-118.
5. Литвиненко, М. Н. Перспективы формирования в чугунных отливках структуры и свойств композиционного материала / М.Н. Литвиненко [и др.] // Литейное производство. 1994. № 12. С. 7-9.
6. Ильинский, В. А. Зависимость прочности серого чугуна от его первичной структуры / В.А. Ильинский, Л. В. Костылева // Литейное производство. 1997. № 5. С. 25-26.
7. Ильинский, В. А. Закономерности микроликвации в железоуглеродистых сплавах и новые возможности литейной технологии / В. А. Ильинский, А. А. Жуков, Л. В. Костылева // 55-й Международный конгресс литейщиков. - М., 1988. C. 1-11.
8. Конструкционные материалы: справочник / Б. Н. Арзамасов [и др.]; под ред. Б. Н. Арзамасова. - М.: Машиностроение, 1990. - 688 с.
9. Эллиотт, Р. Управление эвтектическим затвердеванием / Р. Эллиотт // Москва: Металлургия.
10. Палаткина, Л. В. Исследование аномалий дендритной структуры чугуна / Л. В. Палаткина, Л. В. Костылева, В. А. Ильинский // Металлы. 2010. № 03. С. 35-41.
11.Ильинский, В. А. Исследование микроликвационной неоднородности дендритных ветвей серого чугуна / В. А. Ильинский, Л. В. Костылева, Л. В. Палаткина // Металлургия машиностроения. 2009. № 06. C. 9-15.
Дата поступления в редакцию 13.04.2012
FEATURES OF STRUCTURIZATION IN GREY PIG-IRON
Volgograd State Technical University
The analysis of primary structure of pig-iron is made and the possible variant of its transformation influencing durability growth in pig-iron castings is considered.
Key words: gray pig-iron, composite hardening, dendrite, eutectic, activity of carbon (ас), durability.
