Часть 1. Электронно-микроскопический анализ с рентгеноспектральным микроанализом тонкослиточных и чипс-модификаторов

Выполнен фазовый анализ структуры изготовленного по 2-м технологиям модификатора для получения ЧВГ с применением электронно-микроскопического исследования и рентгеноспектрального микроанализа. Описаны возможности качественной идентификации фазового состава и поверхностного макроанализа частиц модификатора.

Ключевые слова: чугун с вермикулярным графитом, электронно-микроскопический анализ, рентгеноспектральный микроанализ, модификатор в слитке, чипс-модификатор, фазовый состав.

В мировой практике традиционно модификаторы кристаллизуются преимущественно в тонкий слиток, считающийся таковым при его толщине, как правило, не более 30 мм. Однако в ООО «НПП Технология» (г. Челябинск) разработана и успешно запущена технология получения модификаторов в виде особо тонких пластин, так называемых чипсов, толщиной до 3 мм. В работе [1] впервые предпринята попытка исследовать изменение структуры литых Fe-Ni-Mg-лигатур под влиянием модифицирования и ускоренного охлаждения, а в работе [2] исследовано влияние микроструктуры литых Fe-Ni-Mg-РЗМ-лигатур на формирование морфологии графита в высокопрочных чугунах.

Фактически, комплексные присадки являются не столько модификаторами, сколько сложнолегированными сплавами [3] со своей специфической структурой, влияние которой на процессы кристаллизации сплава практически не учитывается. Проведём исследования частиц дроблёного слиточного и чипс-модификатора марки VermilloyÒ538 для получения ЧВГ, после чего подробно проанализируем специфику технологий их получения [4] и влияние на структуру отливок «Вал распределительный». Электронномикроскопические фотографии и результаты рентгеноспектрального микроанализачастиц модификатора представлены на рисунках 1-7. Электронномикроскопические изображения получены в обратно рассеянных электронах. Степень серого на данных изображениях характеризует химический состав исследуемого вещества (чем светлее – тем больше порядковый номер элементов, входящих в состав, по периодической таблице химических элементов Д.И. Менделеева). Численные результаты весового содержания элементов в приведённом рентгеноспектральном анализе носят качественный характер.

Рисунок 18. Электронномикроскопическое изображение излома чипса модификатора Vermiloy®538 прямоугольником выделен фрагмент для увеличения, см. рисунок 19.

Рисунок 19. Электронномикроскопическое изображение увеличенного фрагмента излома чипса модификатора Vermiloy®538 и рентгеновский спектр характерного участка.

Рисунок 21. Электронномикроскопическое изображение участка излома чипса модификатора Vermiloy®538 и рентгеновские спектры характерных фаз.

Рисунок 22. Электронномикроскопическое изображение участка излома чипса модификатора Vermiloy®538 и рентгеновские спектры характерных фаз.

Рисунок 23. Электронномикроскопическое изображение участка излома чипса модификатора Vermiloy®538 и рентгеновские спектры характерных фаз.

Рисунок 24. Электронномикроскопическое изображение участка излома чипса модификатора Vermiloy®538 и рентгеновские спектры характерных фаз.

В обоих фрагментах модификатора присутствуют 4 следующие характерные фазы:

- Mg-Si с варьируемым содержанием составляющих элементов, а также различным, в том числе выборочным, содержанием Fe, Са, Al, РЗМ, Cu и О. Фаза представляет собой по большей части крупинчатую, местами - губчатую, рыхлую массу в виде крупных включений, но также выявляется в виде обширных зон, отдельных дисперсных кристаллов и пластинчатых фрагментов с большим количеством примесных элементов, возможно являющихся частицами шлака или флюса. При одинаковой морфологии области фазы с повышенным содержанием Mg и пониженным содержанием Si выглядят более тёмными, а области фазы с пониженным содержанием Mg и повышенным содержанием Si- наоборот, более светлыми (на электронномикроскопическом изображении).

- Fe-Si с различным соотношением Fe и Si и содержанием, в том числе выборочным, Al, Mg и О. Фаза может представлять собой как губчатую массу при повышенном содержании в ней Mg, так и выглядеть в виде отдельных дисперсных кристаллов и пластинчатых фрагментов. Фазы Fe-Si с различным содержанием Fe и Si соседствуют друг с другом, разделяясь межфазной границей. При одинаковой морфологии области фазы с повышенным содержанием Si и пониженным содержанием Fe выглядят более тёмными, а области фазы с пониженным содержанием Si и повышенным содержанием Fe- наоборот, более светлыми (на электронномикроскопическом изображении). Данная фаза в виде кристаллов с правильной огранкой также в отдельных случаях содержит (как примеси) титан и цирконий.

- Si-РЗМ при SРЗМ > Si и различным, в том числе выборочным, содержанием Fe, Са, Al, Mg, Cu и О. Морфологически выглядит в виде скелетообразных, кляксообразных дендритов или отдельных неразветвлённых частиц, локализованных в Fe-Si- и Si-Mg-фазах. Содержание Ce/La = 2/1.

- кристаллический Si с различным примесным, в том числе выборочным, содержанием Fe, Mg и О. Визуально выглядит как Fe-Si-фаза с повышенным содержанием Mg, но более тёмен, чем Fe-Si-фаза.

Из 4-х представленных фаз основу модификатора составляют количественно преобладающие фазы Si-Mg и Fe-Si с вкраплениями фазы Si-РЗМ. Фрагменты волнообразной морщинистой оксидной плёнки локально присутствуют только на поверхности частиц модификатора и отсутствуют в их изломе. Как на поверхности, так и в изломе фрагментов модификатора имеются трещины и сколы, что подтверждает их высокую хрупкость. Литейных дефектов в виде шлаковых включений, пор, раковин не выявлено. Поверхность фрагментов модификатора представлена как монолитными, сплошными, плотными участками, так и участками из по большей части сросшихся пластин из Fe-Si- и Si-РЗМ-соединений, с сосредоточением в промежутках между ними Mg-Si-соединений. Морфологически Si-РЗМ-фазы располагаются по краям Fe-Si-зон и внутри Mg-Si-зон.

Структурные отличия быстроохлаждённого чипса по сравнению с фракционированной крупкой из слитка:

- общая структура более однородная, высокодисперсная (размер фаз в 5 и более раз меньше), плотная и характеризуется равномерным фазовым распределением;

- преимущественно все фазы имеют вид тонких пластин, либо единичных неразветвлённых включений.

Литература:

1. Панов, А.Г. Исследование влияния микроструктуры литых Fe-Mg-Ni-лигатур на их ударную вязкость [Текст] / А.Г. Панов, С.В. Давыдов // Заготовительные производства в машиностроении. – 2010. – №2. – С. 3-8.
2. Панов, А.Г. Влияние микроструктуры литых Fe-Ni-Mg-РЗМ-лигатур на формирование морфологии графита в высокопрочных чугунах [Текст] / А.Г. Панов, С.В. Давыдов // Заготовительные производства в машиностроении. – 2010. – №7. – С. 40-44.
3. Давыдов, С.В. Тенденции развития модификаторов для чугуна и стали [Текст] / С.В. Давыдов, А.Г. Панов // Заготовительные производства в машиностроении. - 2007. - №1. – С. 3-11.
4. Болдырев, Д.А. Формирование рациональной структуры и повышение стабильности свойств графитизированных чугунов для автомобилестроения их модифицированием и микролегированием [Текст]: дисс. … д-ра техн. наук / Д.А. Болдырев - Самара: СамГТУ, 2013. - 332 с.

Авторы:

• Болдырев Денис Алексеевич - д-р техн. наук, профессор Тольяттинского государственного университета. Тел. +79297147877, e-mail: Denis.Boldyrev@vaz.ru
• Иванов Сергей Викторович-начальник лаборатории, ПАО «АВТОВАЗ». Тел. +79272110548, e-mail: Sergey.Vik.Ivanov@vaz.ru
• Попова Лариса Ивановна - канд. физ.-мат. наук, доцент Тольяттинского государственного университета. Тел. +79272691569, e-mail: onegko@mail.ru
• Давыдов Сергей Васильевич- д-р техн. наук, профессор Брянского государственного технического университета. Тел. +79103367349, e-mail: davidov69@tu-bryansk.ru.

Опубликовано: ИТБ "Литье Украины", №6 (214) 2018 г.