Материал: Теория литейных процессов

выделению из металла кислорода в виде дисперсной оксидной фазы. Чем меньше содержание кислорода, тем позднее начинается ее выделение. При относительно низких концентрациях кислорода его обособление в особую фазу происходит уже во время службы железного изделия. Протекает оно очень медленно, несколько быстрее при повышенных температурах металла.

Выделение кислорода в виде отдельной фазы при температурах прокатки или ковки может быть причиной плохой деформируемости стали в горячем состоянии и ее пониженной пластичности (особенно низкой ударной вязкости). Чтобы избежать всех этих неприятных явлений, необходимо уменьшить содержание растворенного в стали кислорода ниже предела его растворимости даже в охлажденном до минусовых температур (-30—40 °С) ct-Fe.

Для устранения всех отрицательных последствий присутствия кислорода сталь раскисляют с целью связывания растворенного в металле кислорода в прочные окислы, в большей части удаляющиеся из металла.

Азот и водород. Процесс растворения газов в металле является эндотермическим, поэтому с повышением температуры растворимость возрастает. Эндотермичность процесса объясняется тем, что расходуется энергия на разрыв связи между атомами в молекуле газов в жидком железе. Температурная зависимость константы растворения газов в жидком железе описывается выражениями

Фактическое содержание газов в стали во время плавки, как правило, ниже, а при вакуумировании выше значений, вычисленных по этим выражениям, так как равновесие между газовой фазой и металлом по распределению N2 и Н2 обычно не достигается ни во время плавки, ни при вакуумировании или обработке нейтральными газами. Кроме того, фактическое содержание газов может отличаться от данных [N] и [Н], определенных по формулам (8.4) вследствие влияния на растворимость газов (величины ЛГЛ. и

КИщ) содержания различных примесей.

Согласно известным исследованиям по этому признаку примеси можно делить на три группы: 1 - повышающие, II - снижающие, III - не изменяющие величины КХщ и K,h .

Растворимость водорода и азота в железе изменяется скачкообразно при переходе из жидкого состояния в твердое и при аллотропических превращениях в твердом состоянии. Причем высокотемпературная модификация <5-Fe растворяет меньше газов, чем низкотемпературная y-Fe (рис. 7.1 и 7.3).

Наиболее нежелательным является малая растворимость их в a-Fe, особенно в области низких температур. Фактическое содержание газов в стали обычно не превышает их растворимости в 5-Fe, но всегда выше их растворимости в a-Fe в области нормальных температур, поэтому возникает опасность выделения газов из твердой стали.

Для полного устранения этой опасности необходимо иметь в стали содержание азота не более 0,001-0,0015 % и водорода не более 1,0- 1,5см3/ 100 г. Такие низкие содержания газов можно обеспечить, если металл при плавке находится в равновесии с газовой фазой, в которой парциальное давление каждого газа не более 133,3 Па. Эти условия обычно не выполняются, поэтому необходимо нейтрализовать вредное влияние газов.

Газы могут находиться в следующих соединениях:

-на поверхности (за счет адгезии);

-в растворе в атомарной форме (истинная растворимость газов);

-в виде включений (оксидов, нитридов, гидридов);

-как реакционные газы.

Уменьшение давления газа в атмосфере, механические сотрясения (например, вибрация), усиленное механическое перемешивание ванны (индукционная и высокочастотная печь, ультразвуковая обработка) приводят к значительному уменьшению содержания газа в металле. Разливка при пониженном давлении (в вакууме) или при сильном механическом перемешивании (центробежное литье) сопровождается удалением газов и обеспечивает улучшение качества отливок.

8.2.Влияние газов на свойства стали

Содержание азота (%) в готовой стали в большой степени зависит от типа процесса:

Это различие объясняется неодинаковыми условиями поглощения и выделения азота во время плавки.

В конверторных процессах с воздушным дутьем металл во время плавки непосредственно взаимодействует с газовой фазой, имеющей высокое парциальное давление азота (Рх%= 0,065-0,085 МПа), и интенсивно поглощает

его.

В мартеновском процессе условия для поглощения азота менее благоприятные, так как металл отделен от газовой фазы слоем шлака (по крайней мере, в период доводки), который является почти непроницаемым для азота (шлак растворяет азот в незначительных количествах). Кроме того, в результате кипения ванны пузыри СО уносят азот из металла в газовую фазу, поэтому в мартеновской стали наблюдается низкое содержание азота при высоком парциальном давлении его в газовой фазе.

Вдуговой электропечи условия близки к мартеновским, электрическая дуга оказывает активизирующее действие на азот, что приводит к повышению его концентрации в металле.

Вкислородных конверторах содержание азота зависит от концентрации его в дутье, причем при высокой температуре в зоне взаимодействия дутья и металла (> 2000 °С) по распределению азота между металлом и газовой фазой достигается равновесие.

Сравнение данных о содержании азота в стали, полученной различными способами, с растворимостью этого газа в железе показывает, что остаточное

содержание N, как правило, меньше его растворимости не только в y-Fe, но даже в 5-Fe, поэтому при затвердевании металла азот может оставаться в растворе, но при превращении y-Fe в a-Fe и дальнейшем охлаждении a-Fe растворимость азота становится значительно меньше фактического содержания его в металле. Следовательно, создаются условия для выделения азота из твердого раствора. Однако эти термодинамические возможности не реализуются, и азот остается в твердом растворе, образуя пересыщенный раствор. Такой раствор сохраняется в течение многих лет.

Однако выпадение азота из твердого раствора возможно при штамповке с большой скоростью и при работе готовых изделий при повышенных температурах. Выпадение азота из раствора снижает пластичность, прочность стали, и этот процесс называется старением. Оно является одним из серьезных пороков, вызываемых повышенным содержанием азота.

Для устранения этого влияния в сталь вводят элементы Si, Al, V, Ti, Zr и др., резко снижающие растворимость азота в жидком железе. При этом основное количество азота выпадет из раствора в виде первичных и вторичных нитритов, а остаточное содержание его в растворе не превышает растворимости в твердом железе при обычной температуре и не может вызывать старения.

Выделяющиеся из раствора нитриды (Si3N4, AIN, VN, TiN, ZnN) в большей части фиксируются в объеме затвердевшего металла в виде неметаллических включений, которые в меньшей степени снижают качество стали.

С повышением содержания азота понижается пластичность стали, но возрастают ее прочностные и другие характеристики, поэтому азот в некоторых случаях является полезной примесью стали. Азот вводят (0,015 - 0,03 % и выше) в сталь в виде азотированных ферросплавов (FeCr, FeV и др.).

Содержание водорода в стали в конце плавки мало зависит от типа процесса и обычно составляет 3-6 см3 / 100 г металла. Это значительно выше растворимости его в a-Fe.

Все гидриды металлов не устойчивы, поэтому разлагаются. Водород выделяется из металла в виде газа, как правило, в области температур 800-950 °С (после окончания прокатки или плавки).

Выделение Нз может вызывать образование внутренних трещин, называемых флокенами. Значительной склонностью к образованию флокенов обладают обычно легированные стали.

Д. Я. Полоцкий и А. Н. Морозов установили, что образование флокенов исключается при содержании водорода в стали не более 1,5- 2,0 см3 / 100 г.

Получение такого низкого содержания водорода открытыми процессами плавки стали невозможно, поэтому для уменьшения возможности образования флокенов в стали необходима дегазация металла путем вакуумирования или медленного охлаждения заготовок (слитков) в специальных камерах (обычно в течение трех суток). В последнем случае выделение водорода протекает с такой малой скоростью, при которой образование флокенов исключается.

При повышенном содержании водорода в легированных сталях также наблюдается развитие легированный металл в изложнице «растет» подобно кипящему или полуспокойному.

Высокопроцентный ферросилиций всегда имеет повышенное содержание водорода, так как может поглощать его из атмосферы, образуя гидриды SiH4.

Наиболее эффективными способами снижения отрицательного влияния водорода на качество стали является вакуумирование или обработка нейтральным газом. При этом достигается удаление водорода до 60-80 % и более, тогда как азот удаляется на 10-20 %. Такая высокая степень удаления водорода объясняется малыми размерами его частиц в жидком металле и высоким значением коэффициента диффузии Д[Н] = 2,5*10'2 см2/с, тогда как Д[1Ч] = 6*10'4см2/с.

Высокая эффективность удаления водорода при продувке металла нейтральным газом наблюдается в том случае, если над металлом нет печного шлака, который имеет высокое содержание водорода и снижает эффективность продувки.

Степень удаления водорода из металла при открытой плавке (Я=0,1 МПа) во время продувки газом зависит от начальной концентрации его и расхода газа. Эта зависимость может быть описана формулой шиферного (каменисто­ слоистого) излома и некоторых других видов порока. Например, при введении в металл большого количества предварительно не прокаленного богатого ферросилиция, содержание водорода в жидкой стали повышается до значений выше растворимости в 8-Fe. В этом случае наблюдается выделение водорода

где Vur - расход газа, м7т; [Н]„ и [Н]к - начальное и конечное содержание Н2 в металле, мл/ 100 г.

При продувке под вакуумом расход газа существенно уменьшается, так как он прямо пропорционален внешнему давлению:

(8.6)

где К™ - расход газа при продувке в условиях вакуума, м3/т; Vlir - расход газа при продувке в открытом ковше СР=0,1 МПа); Р - остаточное давление в вакуумной камере, кг/см2

При Р=0,4-0,5 кг/см2 расход газа уменьшается в 2 раза. Следовательно, эффективность дегазации металла может быть повышена при комбинированном применении продувки аргоном и вакуумирования.

8.3.Влияние газов на свойства чугунов

Водород. Растворимость водорода в железных сплавах увеличивается при движении слева направо в следующем ряду:

A g - P t - C u - F e - N i - P d - V - T a - T i - Z r - C e .

Начиная с 700 °С, поток водорода вызывает заметное обезуглероживание поверхности железоуглеродистых сплавов, особенно при повышенных давлениях. В результате образуется метан:

Серый чугун обезуглероживается более интенсивно, чем белый, так как больше их диффузионная подвижность в этих чугунах.

Скорость обезуглероживания значительно увеличивается при добавлении около 2 % (объемного) водяного пара. В чистом водороде скорость обезуглероживания определяется только скоростью химической реакции между С и Н, а в окислительной атмосфере, напротив, лимитируется в основном скоростью диффузии углерода в железе.

Скорость обезуглероживания железа во всех газах или смесях газов определяется процессом диффузии, если скорость химической реакции газов с углеродом выше скорости диффузии самого углерода.

Процессы обезуглероживания серого чугуна нашли практическое применение (английский патент, фирма General Motors Согр.), согласно которому предусматривается отливка тонких деталей из СЧ (2,5-4,3 % С, - 1 % Si и Мп, 0,35-0,55 % V), дальнейшее обезуглероживание во влажном водороде при 870-1100 °С для получения желаемой вязкости.

Проникновение водорода в серый чугун приводит к восстановлению оксидных включений, которые оказывают активное зародышевое влияние, и уменьшают степень переохлаждения при эвтектической кристаллизации.

Содержание Н2 в сером чугуне - 15-65 см7на 100 г.