Термодинамическая оценка формирования квазиравновесной структуры чугуна ЧХ8 при его обработке Fe-Si-Mg модификатором

Хромистый чугун ЧХ8 имеет трехфазное строение: состоит из включений хромистого карбида и цементита, а также легированного феррита в виде металлической основы. При обработке этого чугуна 0,15 % Fe-Si-Mg модификатора структура чугуна из трехфазной трансформируется в двухфазную. При этом объёмная доля хромистого карбида (Cr,Fe)₇C₃ возрастает с 21 до 29 %, цементита уменьшается с 3 % до нуля, а легированного феррита снижается с 76 до 71 %. Такая трансформация структуры чугуна ЧХ 8 обеспечивает за счет увеличения объемной доли хромистого карбида (Cr,Fe)₇C₃ соответствующее повышение его функциональных свойств.

Цель данной работы – термодинамическая оценка возможности стимулирования формирования хромистых карбидов (Cr,Fe)₇C₃ при обработке хромистого чугуна ЧХ8     Fe-Si-Mg модификатором.

Объектом исследования являлся хромистый чугун ЧХ8 с содержанием, %: 8 Cr, 3,3 C, 1,8 Si, 0,5 Mn. В качестве модификатора использовали Fe-Si-Mg- модификатор следующего состава (%): 46,0 Si, 6,0 Mg, 0,5 РЗМ, Fe -остальное. Возможность стимулирования образования в чугуне ЧХ8 хромистых карбидов при обработке Fe-Si-Mg- модификатором изучали путем термодинамического анализа реакции:

                                             7 [Cr] + 3 [С] = Cr₇С₃.   ΔGT = ΔGT° + R ∙ T  ∙ ln{(aCr₇C₃ / [(aCr)₇ ∙ (aC)₃]},

При этом расплав чугуна во время его обработки модификатором считали находящимся в квази-равновесном состоянии. В макро-масштабе модифицированный расплав чугуна является неравновесным, потому что в нем присутствует множество микро-зон с высоким содержанием Si и Mg – очагов растворения модификатора. Содержание модифицирующих элементов в них с течением времени снижается. Но в пределах узкого интервала времени ∆ti можно считать содержание кремния и магния в них неизменными и равными  Sii и Mgi. Ввиду этого, состояние расплава в микро-зонах в пределах малого интервала времени ∆t считали равновесным. В микро-зонах из-за высокого содержания Si и Mg углерод проявляет повышенную активность. Поэтому в них в присутствии хрома могут создаться благоприятные условия для формирования высокохромистого карбида Cr₇С₃.

Концентрации элементов (C, Si, Mn, Cr и Mg) в микрозонах рассчитывали из условия смешивания чугуна и модификатора в отношениях: 100/0; 95/5; 90/10; 80/20; 70/30; 60/40; 50/50; 40/60; 30/70; 20/80; 10/90; 5/95; 0/100 соответственно.

Результаты расчетов показали, что при обработке расплава чугуна Fe-Si-Mg модификатором в микрозонах в широких пределах концентрации создаются благоприятные условия для формирования (Cr,Fe)₇C₃ фазы.

Научный руководитель - д.т.н., проф.Тен Э.Б.