Фосфидная эвтектика. Фосфид железа

Фосфидная эвтектика - это эвтектическая смесь фосфида железа, твердого раствора железа и цементита или графита.

Фосфидная эвтектика - твёрдая и хрупкая структурная составляющая чугуна. Количество фосфидной эвтектики в чугуне зависит от содержания в нём фосфора. Растворимость фосфора в α-железе (феррите) железоуглеродистых сплавов достигает 1,2%. Если же количество фосфора в сплаве превышает это значение, то образуется фосфид железа Fe₃P - фаза, встречающаяся в серых чугунах.

Фосфор в чугуне является полезной примесью, так как он улучшает жидкотекучесть чугуна - одно из главных свойств литейных сплавов. Объясняется это [1] образованием в чугуне относительно легкоплавкой тройной (фосфидной) эвтектики, плавящейся при температуре 950°C. В момент затвердевания тройная фосфидная эвтектика состоит из аустенита, обогащённого фосфором, цементита и фосфида железа Fe₃P. Твёрдые участки фосфидной эвтектики повышают общую твёрдость и износоустойчивость чугуна.

Фосфидная эвтектика встречается во многих марках чугунов. Исключение составляют чугуны с очень небольшим содержанием фосфора (например, гематитовый чугун).

В зависимости от химического состава чугуна фосфидная эвтектика может быть двойной при ферритной основе; двойная фосфидная эвтектика состоит из двух фаз, а именно: фосфида железа (Fe₃P) и твердого раствора.
В метастабильном половинчатом или белом чугуне выделяется упомянутая выше тройная эвтектика. Тройная фосфидная эвтектика называется "стеадит" или "стедит" (англ. "steadite") - в честь английского металлурга Джона Эдварда Стеда (John Edward Stead, [2]).

Согласно [3] Стид и Вюст применяли способ теплового травления для отличия фосфида железа от карбида железа (цементита). Способ теплового травления основан на различии скоростей окисления структурных составляющих с неодинаковым химическим строением, например: феррита, цементита, фосфида железа, а также на различии в ориентации выделившихся кристаллов.

Стедит содержит фосфид железа, цементит и твердый раствор. Состав стедита, %: С 1,96; Р 6,89 и Fe 91,15 [3]. Температура кристаллизации тройной фосфидной эвтектики - стедита - составляет 950°C, то есть на 200°C ниже температуры кристаллизации ледебурита.

ГОСТ 3443-87 различаюет фосфидную эвтектику следующего строения:

• псевдо-двойная эвтектика (фосфид железа и феррит; фосфид железа и цементит);
• тройная зернистая эвтектика;
• тройная игольчатая эвтектика;
• тройная эвтектика с пластинами цементита.

Кроме того ГОСТ 3443-87 (шкала 9) характеризует распределение включений фосфидной эвтектики, диаметр ячеек сетки фосфидной эвтектики и площадь включений фосфидной эвтектики.

Фосфидная эвтектика может выделяться в стальном фасонном литье - как исключение. Образование при этом двойной фосфидной эвтектики связано с сильным торможением равновесия вследствие недостаточной диффузии фосфора во время кристаллизации стали.[3] Фосфор резко снижает пластичность феррита и вызывает хладноломкость стали, при наличии его в составе более 0,1%. [1]

Как уже было сказано выше, фосфидная эвтектика увеличивает твёрдость, износостойкость чугуна, но эти положительные качества справедливы для фосфидной эвтектики, которая находится в структуре в виде мелких обособленных включений. В то же время ликвация и образование крупных выделений фосфидной эвтектики, особенно в виде сплошной сетки, сильно увеличивают хрупкость чугуна.

Выявление фосфидной эвтектики в металлографии

Глубокое травление является единственным видом макротравления, которое приводит к выявлению фосфидной эвтектики. При этом применяют 20%-ные водные и 25%-ные спиртовые растворы азотной кислоты. Травление полированных образцов продолжают 1-3 минуты, до потемнения основы. Фосфидная эвтектика долгое время не взаимодействует с реактивом в противоположность ферриту и перлиту. Если количество фосфидной эвтектики в чугуне достаточно, то по ее расположению можно различать глобулярную и дендритную кристаллизацию.

Для выявления фосфидной эвтектики в чугуне используют травитель 10 [3] следующего состава: 10 г (NH₄)₂S₂O₈; 90 мл H₂О. Этот реактив травит как зерна феррита, так и перлит; фосфидная эвтектика при этом остается нетравленой (белого цвета). Этот раствор применяют для исследования при небольших увеличениях и для определения количественных соотношений между ферритом и фосфидом.

Фосфид железа и цементит трудно отличить друг от друга. По этой причине в металлографии были разработаны новые способы травления для идентификации этих фаз (см. [3], составы травителей для выявления фосфидной эвтектики 14а, 14б, 15, 16, 17а, 17б, 18, 19а, 19б, 19в, 19г).