Скачать 3.48 Mb.
|
ОБ АВТОДИОГРАФИЧЕСКОМ МЕТОДЕ ИЗУЧЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ МЕЖДУ ФАЗАМИ СТАЛИ И ЧУГУНА Колупаев Ю.А., Расщупкин В.П., Цуркан Д.А. г. Раменское Московской области Созданию и совершенствованию теории получения высокопрочного чугуна с шаровидной формой графита посвящены многочисленные исследования. Использование различных методик в этих работах приводит к получению противоположных результатов. Например, по данным авторадиографии шлифов металла с радиоактивным изотопом найдено, что в графите содержится подавляющее количество элементов-модификаторов расплавленного чугуна [1-3 и др.]; по результатам микрорентгеноспектрального анализа, графит либо не содержит, либо содержит незначительное количество примесей [4,5]. В соответствии с результатами экспериментов созданы резко отличающиеся друг от друга теории формирования шаровидного графита в чугуне. Так, авторы работ [1-3] полагают, что элементы-глобуляризаторы интенсивно адсорбируются на графите, входят в его решетку и изменяют пластинчатую огранку кристалла на шаровидную (адсорбционнодиффузионная теория). В работах [4-5] формирование шаровидного графита в чугуне объясняется десорбцией элементами-глобуляризаторами вредных примесей (O,S,N и др.) с поверхности зародышей графита и повышением поверхностного натяжения на их границе с расплавом. Цель настоящей работы – установление возможности применения метода авторадиографии при исследовании распределения элементов между структурными составляющими стали и чугуна и обоснованность построения адсорбционно-диффузионной теории формирования шаровидного графита в чугуне. Эта задача, кроме теоретического, имеет практическое значение для совершенствования процессов модифицирования чугуна. В работах [1-3] применяли следующую методика исследования. В расплавленный чугун вместе с добавкой элемента-глобуляризатора или деглобуляризатора графита вводили радиоактивный изотоп Gd. Из затвердевших проб чугуна изготовляли шлифы толщиной 20-80 мкм, которые накладывали на фотопластинки с мелкозернистой эмульсией типа МК или МР. После экспозиции пластинки проявляли и получали авторадиограмму шлифа, которую исследовали на световом микроскопе при увеличениях от X70 до X450. Считали [1-3], что между концентрацией изотопа в отдельном участке металла и потемнением радиограммы от этого участка имеется пропорциональная зависимость. Для количественной оценки распределения изотопа в плоскости шлиф с помощью микрофотометра измеряли интенсивность потемнения фотопластинки. Анализ литературных данных [1-3 и др.] показал, что на практике наблюдаютя следующие случаи распределения радиоактивного элемента между металлической матрицей и включением графита: 1 — матрица радиоактивна, включение выкрошилось при изготовлении шлифа; 2 — матрица радиоактивна, включение нерадиоактивно; 3 — матрица нерадиоактивна, включение радиоактивно. В первом случае пустоты выкрошившегося графита заполнены воздухом. Из литературы известно, что если металл радиоактивен, то у пустот, раковин [6], отверстий [7], высверленных специально для опыта, и других углублений шлифа наблюдается более сильное потемнение фотослоя вследствие дополнительного воздействия на него излучения изотопа с внутренней поверхности дефекта. Для исключения этого явления при радиографии предложено пропитывать дефектные места шлифов материалами с низкой температурой плавления и высокой способностью поглощать радиоактивные излучения (например, свинцом) [6]. Рассмотрим случай 2 распределения радиоактивного элемента в структуре чугуна. Известно, что в графите (как и в любом материале) поток γ-квантов генерирует поток электронов, а поток β-излучения в результате многократного отражения уменьшает энергию электронов. Оба эти явления приводят к эффекту усиления потемнения фотоматериалов, чувствительность которых к электронам, особенно к электронам малых энергий, больше, чем к γ-квантам [6]. На этих явлениях основано применение усиливающих экранов (фольг из алюминия, олова, свинца и т. д.) в практике просвечивания материалов рентгеновскими или γ-лучами. Оптимальная толщина экрана d (г/см2) соответствует длине свободного пробега электрона в материале dmax (г/см2), которая зависит от энергии электронов E (МэВ) [8]: dmax=0,407 E1,38. (2) По формуле (2) толщине графитового слоя 4,5—19·10-3 г/см2 (проба чугуна 20— 80 мкм [1]) соответствует длина свободного пробега электронов с энергией 0,40—0,10 МэВ. Для генерирования в веществе электронов с такой энергией поток γ-квантов должен обладать такой же или большей энергией. Излучения применяемых в авторадиографии изотопов [1-3 и др.] удовлетворяют этому условию. Таким образом, включения графита при радиографии могут выполнить роль усиливающего экрана. По литературным данным, эти включения по сравнению с металлической матрицей увеличивают в 2—4 раза интенсивность потемнения фотослоя. Результаты, аналогичные распределению радиоактивных элементов в материале в случае 3, получены при авторадиографии проб стали с неметаллическими включениями. Проникающая способность γ-излучения в металле велика; для β-излучения она меньше, но все же значительна. Так, пробег в стали β-частиц 14С (малая энергия) ~40 мкм, а β-частиц 32Р (большая энергия) —1000 мкм [8]. Поэтому при использовании β-излучающих изотопов от включения графита диаметром 80 мкм на фотоматериале может наблюдаться пятно почернения диаметром от 160 до 2080 мкм. Это предположение подтверждается результатами работы [9]. В этой работе с помощью изотопа 45Ca установлено, что содержание неметаллических включений в стали, определенное по почернению авторадиограммы, по сравнению с данными химического анализа, в 60 раз больше. Очевидно, что результаты радиографии зависят от времени экспозиции фотоматериала — чем больше время, тем большее размытие пятна почернения наблюдается над включением графита. В работах [1—3] неоднократно подчеркивалось, что имеется полное соответствие в расположении графита на фотографиях микроструктур и радиограмм. Для проверки этого положения мы нанесли на прозрачную кальку сетку с размерами ячеек 5X5 мм. Кальку накладывали на фотографии и подсчитывали на них число узлов пересечений с графитом на микроструктуре (n) и радиограмме (p). По данным [1, 2] и других работ тех же авторов, построена зависимость отношения p/n от энергии β-излучения изотопов (рис.2). При полном соответствии радиограммы и микроструктуры отношение p/n должно быть примерно равно единице. Для β-изотопов с энергией излучения 0,25-2,2 МэВ толщина этого слоя по расчету составляет 0,50—15·10-3г/см2, а в работах [1, 2] толщина проб (16—84)10-3г/см2. Поэтому потемнение фотослоя при авторадиографии может зависеть не только от изменения концентрации изотопа в пробах чугуна, но и от степени удаления участка пробы, обогащенного радиоиндикатором, от границы раздела металл — фотослой. Таким образом, следует отметить, что в работах [1—3] и др. однозначно не доказано, что большинство введенных в расплав чугуна радиоактивных изотопов элементов сосредоточено в графите. Поэтому результаты авторадиографических исследований не являются экспериментальным подтверждением адсорбционно-диффузионной теории формирования шаровидного графита в высокопрочном чугуне. В работах [1—3 и др.] получены, безусловно, ценные экспериментальные данные по поведению элементов в чугуне. Однако эти данные требуют более детального методического обоснования и в связи с этим, возможно, новой интерпретации. Радиоактивный препарат помещался в патрон, который закрывался пробкой, нижний конец которой имеет форму конуса с малым углом 3-5°. После закрытия отверстия пробка запрессовывалась на прессе под нагрузкой 15 тонн, чем обеспечивалась надежная изоляция радиоактивного препарата от возможного окисления при нагреве. Патрон помещался в двойной алундовый тигель, который вводился в герметически изолированный объём высокочастотной печи ВЧИ-0,4-10, где патрон переплавлялся в атмосфере аргона. Разливка жидкой стали осуществлялась в медную изложницу также в атмосфере аргона. Скорость охлаждения отливки в первые 5 часов составляла 200, последующие – 100 градусов в час. Химический состав выплавленной стали не изменился в процессе такого переплава. Содержание молибдена в этой стали возросло за счет введения 25 мг радиоактивного молибдена. После охлаждения отливка извлекалась из печи, взвешивалась и разрезалась на образец. Для изучения перераспределения углерода, никеля, вольфрама, молибдена были выбраны радиоактивные изотопы углерод – 14, никель – 63, вольфрам – 185 и молибден – 99. Темплеты для авторадиографического исследования распределения углерода, никеля и вольфрама вырезали по сечению отливок. Толщина темплетов составляла 30 мм. Отливка с молибденом – 99 разрезалась на образцы перпендикулярно вертикальной оси. Поверхности темплетов с двух сторон сначала шлифовались на плоскошлифовальном станке, а затем, с применением шлифовальных шкурок, доводились до необходимой чистоты. Полировка поверхности образцов осуществлялась полировочным кругом с применением пасты ГОИ. После чистовой обработки с исследуемой поверхности темплетов удалялось загрязнение промывкой в органических растворителях с последующим высушиванием. Наиболее тщательная подготовка поверхности для радиографии требовалась для темплетов с никелем – 63 и углеродом – 14 т.к. из-за небольшого пробега β-частиц присутствие механических дефектов на поверхности образца дает искаженную радиограмму. Авторадиограмму распределения исследуемого элемента получали экспонированием темплетов в контакте с фототехникой фототехнической пленкой ФТ – 41 и последующей фотообработкой. Оптимальная длительность экспозиции для темплетов с вольфрамом составила 8 дней, молибденом – 3 дня, углеродом и никелем – 39 дней. Для того, чтобы судить о влиянии условий литья на строение отливки, необходимо провести исследование по всему объему металла. Только исследуя структуру металла по полученному объему, можно установить ход процесса кристаллообразования и связать эти процессы с характером распределения важнейших составных элементов стали. Однако, при существующих методах невозможно наблюдать структуру или картину распределения легирующих элементов и примесей по всему объем, и мы вынуждены ограничиваться исследованием их на плоскости. Для этого отливки разрезаются на части по сечениям, которые наилучшим образом могут характеризовать строение всего объема отливки. В металлографии широко используются методы травления макрошлифов темплетов, вырезанных из отливки. По фигурам травления составляется общая картина строения отливки. Однако, здесь следует заметить, что макротравление отражает ликвацию всех элементов одновременно. Этот недостаток полностью устраняется методом авторадиографии. Селективность метода авторадиографии позволяет проследить распределение одного элемента и выявить участки обедненные или обогащенные им, а также дать качественные и количественные оценки. Распределение вольфрама в отливках стали 110Г13Л изучали в зависимости от изменения концентрации его от 0,06% до 0,44% Условия литья и затвердевания отливок были одинаковыми. Содержание других элементов практически не изменилось. То есть, при всех равных условиях удалось установить распределение вольфрама в шести отливках, отличающихся лишь его концентрацией. Качественный анализ авторадиограммы распределения позволил установить некоторые тенденции развития ликвации вольфрама. Прежде всего отличается сильно развитая дендритная ликвация вольфрама, которая отражает химическую неоднородность отливок. Авторадиограммы сопоставляли с микроструктурой поверхности после обычного травления. По появлению радиоактивности в травителе было сделано заключение, что вольфрам ликвирует в одном направлении – в межосные участки дендритов. При содержании вольфрама 0,33 % дендритный характер распределения представлен в измельченном виде. А при содержании 0,44 % степень измельчения еще больше. Одновременно с этим выявились более крупные сегрегации верхней, широкой, части отливки, чем в нижней, более тонкой. Если рассматривать распределение вольфрама в зависимости от размеров сечения, то следует сказать, что для всех содержаний вольфрама свойственна одна закономерность – в тонкой части отливки размеры дендритов значительно меньше, чем в широкой. В корковой зоне имеет место повышенное содержание вольфрама. Он обнаруживается в виде двух рядов тёмных точек в приповерхностных слоях. Наиболее притяженные дендриты в широкой части отливки. Зоны транскристаллизации соизмеримы с главными осями дендритов. Центральная зона наиболее широкой части отливки заполнена неориентированными дендритами сравнительно одинаковой длины. Обращает на себя внимание тот факт, что размеры дендритов в широкой (верхней) и тонкой (нижней) части отливок практически одинаковы. На авторадиограммах, как уже отмечалось, выявлены скопления вольфрама в верхней части (крупные темные пятна) и нижней части отливки (размеры пятен меньше и имеют размытые очертания). Следует остановиться на общем явлении, которое обнаружено на всех авторадиограммах. В нижнем положении широкой части отливки, во всех случаях, мы имеем светлые пятна, которые свидетельствуют о пониженном содержании вольфрама. Эти пятна находятся в том объеме металла, который из-за геометрических форм отливки затвердевает в последнюю очередь. Здесь же на темплетах выявлены несплошности и большое количество пор. По-видимому, образование объема обедненного вольфрама, можно связать с различием в скоростях диффузии вольфрама в жидкой и твердой фазах и, как следствие этого, обеднение вольфрамом маточного раствора к моменту окончательного затвердевания металла. Во всяком случае, наличие такого объема металла, обедненного вольфрамом и имеющего несплошности вблизи резкого изменения толщины отливки, нельзя считать приемлемыми. Термическая обработка отливок, содержащих радиоактивный вольфрам, проводилась для приведения стали в аустенитное состояние. Времени выдержки было вполне достаточно для гомогенизации. На авторадиограммах после термической обработки отмечается общее выравнивание почернения авторадиограмм. Отчетливо выявилась контрастность мелкого дендритного распределения, обогащались вольфрамом оси дендритов и зон, ранее обедненных вольфрамом. Такое перераспределение вольфрама в отливке можно считать благоприятными. Большой интерес представляет вопрос о распределении углерода в стали 110Г13Л и влиянии его концентрации на характер перераспределения. Для того, чтобы изолированно рассмотреть один углерод, без учета влияния других компонентов, содержание последних в отливках было постоянным. Рассматривая влияние увеличения содержания углерода на его перераспределение, можно сказать, что при содержании углерода 2,32% дендритный характер приобретает большую контрастность. Если при содержании углерода 1,3% мы видим, что общий фон почернения авторадиограмм равномернен за счет того, что оси дендритов несколько обогащены углеродом, то увеличение содержания на 1% приводит к резкому обеднению осей и сосредоточению углерода в межосных пространствах. Распределение углерода в темплете отливки с содержанием 1,3% в широкой верхней части и тонкой нижней отличается размерами дендритов. Большая скорость охлаждения приводит к измельчению дендритов. В то же время размеры дендритов при содержании углерода 2,8% в нижней и верхней частях отливки одинаковы (рис.1). Авторадиограммы распределения углерода показали наличие обедненного углеродом объема на границе изменения сечения отливки. Этот объем, как и в случае с вольфрамом, имеет сильную пористость. По-видимому, в данном объеме отсутствуют карбидообразующие элементы – марганец, хром. Термическая обработка обуславливает более полное выравнивание углерода при содержании его 1,3% и его больший контраст концентрационной неоднородности при содержании углерода 2,32%. Полученные результаты свидетельствуют о том, что повышение содержания углерода в стали 110Г3Л увеличивает химическую неоднородность как самого углерода, так, по-видимому, и марганца. Во многом микрораспределение углерода повторяет распределение вольфрама. Суммируя полученные авторадиографические результаты, следует отметить следующее: 1.Сталь 110Г13Л в литом и термообработанном состоянии имеет развитую дендритную ликвцию углерода. 2.Углерод располагается в межосных пространствах дендритов. 3.Термическая обработка приводит к выравниванию концентрационной неоднородности при содержании углерода 1,3% и усилению ее при содержании углерода 2,32%. 4.На границе переходной зоны выявлены объемы с пониженным содержанием углерода. В силу того, что никель ответственен за важные характеристики стали, исследование его распределения представляет определенный интерес. Никель относится к элементам, которые практически не ликвируют. В данной работе была сделана попытка установить связь распределения никеля с увеличением его содержания. Радиоактивный изотоп никель – 63 был введен в четыре отливки с содержанием последнего 0,5; 1,64; 2,54; 3,88%. Все отливки объединяет одна существенная деталь – отсутствие дендритной ликвации никеля. Распределение никели по высоте и по ширине отливки равномерно и однородно. Исключение составляют те объемы, о которых говорилось выше – это зоны, прилегающие к границе перехода от широкой части к тонкой. Эти объемы, как показывают авторадиограммы, обогащены никелем, хотя в них и есть небольшие участки, обедненные им. Анализ авторадиограмм показывает, что никель по всему объему отливок распределен равномерно. Увеличение содержания никеля в стали 11ОГ1ЭЛ не приводит к видным изменениям в распределении. Детальный анализ авторадиограмм распределения молибдена в отливках в литом состоянии и после термической обработки существенных отличий в распределении молибдена не обнаружил. Имеются лишь незначительные сегрегации молибдена после термической обработки. Специфические физические свойства изотопа молибдена в совокупности с быстрым охлаждением металла в медной изложнице, возможно, исказили действительную картину распределения молибдена. Однако, литературные данные свидетельствуют о том, что молибден обладает исключительной ликвационной способностью, и, поэтому, равномерное его распределение наиболее вероятно. При изучении распределения празеодима в высокомарганцовистой стали в качестве индикатора использовали облученную в потоке тепловых нейтронов ядерного реактора порцию двуокиси церия. Выбор этого индикатора объясняется, во-первых, тем, что готового удобного препарата нет в номенклатуре изделий В/О «Изотоп»; во-вторых, прямое облучение окиси празеодима в потоке тепловых нейтронов по реакции 141Pr(n,γ) 142Pr приводит к образованию радиоактивного изотопа празеодим – 142 с малым периодом полураспада 19,2 часа; в-третьих, облучение двуокиси церия в потоке тепловых нейтронов по реакции 142Ce(n,γ) 143 143P приводит к образованию радиоактивного изотопа празеодим – 143 с периодом полураспада 13,7 дня, что наиболее удобно для нашего исследования. Экспериментальная проверка ядерной реакции на церий показала, что через 7 периодов полураспада церия – 142 радиоактивность образца определяется только радиоактивным изотопом празеодим – 143(79). Облученную порцию индикатора массой 0,225 г вводили в расплавленную сталь в смеси с неактивной окисью празеодима и криолита. Активность индикатора во всех 10 плавках была одинаковой. Темплеты для авторадиографии и радиометрического анализа вырезались перпендикулярно вертикальной оси слитка. Первый темплет для авторадиографии вырезался у донной части слитка, второй – у прибыли. Темплет для радиометрического анализа вырезался на середине высоты слитка и с него на токарном станке снималась боковая поверхность на глубину 1,5 – 2 мм. Распределение празеодима в высокомарганцовистой стали определялось по авторадиограммам распределения радиоактивного изотопа празеодима – 143 по шлифу темплетов. С каждого темплета с двух сторон последовательно снимались три авторадиограммы. Длительность экспозиций составила около 30 дней. Анализ авторадиограмм распределения празеодима – 143 по шлифу темплетов показал, что распределение празеодима носит неравномерный характер, причем основное количество вводимого празеодима концентрируется на боковой поверхности слитка. В объеме металла празеодим присутствует в виде отдельных глобулярных включений и, возможно, незначительное его количество находится в твердом растворе. Влияние криолита, вводимого вместе с празеодимом, не обнаруживается. Содержание празеодима уменьшается от дня слитка к прибыли (рис.2). Число мелких включений в объеме слитка также уменьшается. Празеодим концентрируется в основном на боковой поверхности слитка. Для выяснения характера его распределения на поверхности слитка были получены авторадиограммы в процессе контакта ядерной эмульсии и боковой поверхности образцов. Разрешающая способность авторадиограмм при такой методике низка из-за шероховатой поверхности и слабого контакта. Рассмотрены авторадиограммы боковой поверхности для трех плавок. Как видно из их рассмотрения, празеодим располагается на поверхности слитка крайне неравномерно. есть участки с полным отсутствием празеодима, на других – большое его скопление. В основном празеодим находится в виде точечных включений, которые располагаются на поверхности слитка с различной плотностью. Ни криолит, ни увеличение массы вводимого празеодима не влияет на характер его распределения. В зоне прибыли характер его распределения аналогичен. Радиометрические измерения β-излучения со шлифов образцов сталей приводили на счетчике СБТ-20 с использованием пересчетного прибора ПСО2-4. Измерения выполнялись как с диафрагмой диаметром 10 мм, так и с широким пучком. Анализ результатов измерений показал, что в объеме металла празеодим присутствует в незначительном количестве и в основном в виде отдельных включений. Выводы При изучении распределения элементов между графитом и металлической матрицей модифицированных чугунов методом авторадиографии установлено возможность определения распространения лигирующих элементов по сечению отливки. Библиографический список 1. Бакакин Г. И. и др. Использование радиоизотопных методов в промышленности. М.: Атомиздат, 1975, с. 160. 2. Любченко А. П., Севенко Г. П., Урицкий Ю. С. Распределение церия в объеме зерен графита доэвтектического чугуна — МиТОМ, 1979, №8, с.21. 3. Любченко А. П., Можаров М. В. Распределение в микрообъемах чугуна элементов-глобуляризаторов графитовой фазы.— МиТОМ, 1966, № 4, с. 30. 4. Иванов Д. П., Шебатинов М. П. Распределение компонентов и модификаторов в чугуне с шаровидным графитом.— ЛП, 1974, № 4, с. 18. 5. Иванов Д. П., Вашуков И. А. Экспериментальное исследование распределения элементов в структуре чугуна.— ЛП, 1974, № 7, с. 32. 6. Куликов И. С, Попов И. А. Применение радиоактивных изотопов в металлургии, М.: Металлургиздат, 1956, с. 260. 7. Nelson Н. R.— Metal Progress, 1942, v. 42, № 3, p. 391. 8. Студниц М. А., Малючков О. Т. Авторадиографический метод исследования металлов и сплавов с помощью радиоактивных изотопов.— МиТОМ, 1955, № 6, с. 15. 9. Тюрин Е. И., Абросимов Е. В., Саар Т. М. Влияние раскисления силикокальцием на количество и характер неметаллических включений в кислой шарикоподшипниковой стали. М.: ЧЕРМЕТ-ИНФОРМАЦИЯ, 1958, № 14 (346), с. 38. |
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «федеральный... «федеральный исследовательский центр институт цитологии и генетики сибирского отделения российской академии наук» (ИЦиг со ран) |
Клеточные и гуморальные механизмы опухолеспецифической иммунотерапии... Работа выполнена в Учреждении Российской академии медицинских наук Научно-исследовательском институте клинической иммунологии Сибирского... |
||
Сибирского отделения российской академии наук Название коллекции «Коллекция экстремофильных микроорганизмов и типовых культур» |
Сбродова Дарья Викторовна Институт систем энергетики им. Л. А. Мелентьева Сибирского отделения Российской академии наук (исэм со ран) |
||
Сибирского отделения российской академии наук «Коллекция биоматериалов (днк, рнк и плазма) пациентов, страдающих мультифакторными социально-значимыми заболеваниями» |
Документация об аукционе в электронной форме Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии и химической технологии Сибирского отделения Российской академии... |
||
Институт биофизики сибирского отделения российской академии наук (ибф со ран) Аннотированный перечень важнейших результатов исследований по «базовым проектам», выполненных в 2014 Г |
Документация об аукционе в электронной форме Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии и химической технологии Сибирского отделения Российской академии... |
||
О проведении запроса котировок №12 от 28. 02. 2011г Полное наименование: Учреждение Российской академии медицинских наук Научно-исследовательский институт клинической иммунологии Сибирского... |
Кти нп со ран: отчетные материалы за 2012 г Федеральное государственное бюджетное учреждение науки конструкторско-технологический институт научного приборостроения Сибирского... |
||
Документация об аукционе разработана Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской... |
Документация об аукционе разработана Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской... |
||
Сибирского Отделения Российской Академии медицинских наук ООО фирма... Сочетанное действие дополнительного сопротивления дыханию, гипоксии и гиперкапнии на организм женщин |
Извещение о проведении аукциона в электронной форме Наименование юридического лица: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии и химической технологии Сибирского... |
||
2 3 извещение о проведении аукциона в электронной форме Наименование юридического лица: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии и химической технологии Сибирского... |
О проведении запроса котировок в электронной форме № зк-4/2018 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела им. Н. А. Чинакала Сибирского отделения Российской академии... |
Поиск |