Влияние газов на кристаллизацию и графитизацию чугуна

18.10.2019

Азот, водород и кислород также являются типичными малыми примесями в чугуне, которые, к сожалению, пока еще систематически не контролируются. Общее содержание газов в чугуне колеблется в пределах (в %):

Содержание газов в жидком чугуне обусловливается не только исходными материалами, но и процессами при плавке, наполнении ковшей и заливке в формы, при осуществлении которых в той или иной мере происходит изменение газосодержания. Однако значение имеет не столько абсолютное содержание этих газов, сколько их состояние. Значительная часть газов образует соединения (окислы, нитриды и более сложные соединения) с теми или иными элементами, другая часть — газовые включения, все остальные газы образуют растворы с фазами чугуна. Их растворимость с является функцией температуры и парциального давления р
Влияние газов на кристаллизацию и графитизацию чугуна

где Q — энергия активации растворения.

При этом азот и водород находятся в растворе в виде протонов, а кислород — в виде анионов, что обусловливает его меньшую подвижность. В зависимости от состояния и способа введения газы могут оказать различное влияние на кристаллизацию и графитизацию чугуна, что является причиной значительных противоречий в литературе. Следует учесть, что продувка чугуна сама по себе уменьшает число возможных зародышей графита и способствует отбелу. В этом случае складываются непосредственное влияние газов и то влияние, которое оказывает сам процесс продувки. Поэтому более правильные результаты влияния газов (как элементов) можно получить при присадке их в чугун в виде химических соединении с учетом влияния дополнительных элементов.

Переходя к вопросу о растворимости отдельных газов в жидком чугуне, можно характеризовать ее в отношении азота при условии нормального давления следующей приближенной формулой Л.И. Леви:

что весьма близко к другим данным. Таким образом, Mn и Cr повышают эту растворимость, а С, Si, P и S ее понижают. Сверх растворимости азот может находиться в свободном молекулярном состоянии или в виде соединений, главным образом с алюминием, ванадием, хромом, кремнием, марганцем, хотя существование этих нитридов, в частности алюминия, подвергается иногда сомнению.

Растворимость водорода, как и азота, падает в присутствии углерода, кремния, хрома, кислорода и повышается с увеличением содержания марганца. Для обычных составов и температур чугуна эту зависимость можно представить при РН2 = 1 ат

Однако в заэвтектическом чугуне углерод повышает содержание водорода вследствие его адсорбции на пакетах графита. При этом водород практически полностью находится в свободном или адсорбированном состоянии. На растворимость кислорода главное влияние оказывают кремний и углерод в чугуне, как это видно из следующего выражения, составленного на основании разных данных:

При этом в заэвтектическом чугуне содержание кислорода, как и водорода, увеличивается вследствие адсорбции. С повышением температуры растворимость кислорода возрастает, хотя общее неравновесное его содержание при этом обычно понижается вследствие приближения к равновесию. Сверх растворимости кислород находится в чугуне в виде прочных разнообразных соединений, в которых Si играет большую роль (SiO2, SiO и более сложные соединения).

Таким образом, растворимость и содержание газов в жидком чугуне определяются составом металла, в особенности содержанием углерода (рис. 89). В процессе кристаллизации наблюдается резкое снижение растворимости (скачок растворимости), которое в чугуне все же меньше, чем в стали (для водорода это 3,5—4,0 см3/100 Г против 8,5—20 см3/100 Г для стали). При этом газы, особенно водород и кислород, ликвируют в процессе кристаллизации, концентрируясь в центральных частях отливки или около питателей, где происходит наиболее медленное охлаждение.

Газы, как и другие элементы, оказывают определенное влияние на растворимость и активность углерода в чугуне. Как видно из рис. 54, водород и особенно азот повышают эту активность в жидком и, вероятно, в твердом растворах. Кислород же действует в обратном направлении.

Влияние газов на графитизацию и структуру чугуна проявляется весьма интенсивно, несмотря на их низкую концентрацию; это свидетельствует о том, что по механизму своего действия, связанному с адсорбцией, газы аналогичны другим малым примесям. Особое внимание уделяется в последнее время азоту; который, несмотря на повышение активности углерода, интенсивно, как впервые показал Л.И. Леви, препятствует графитизации как при кристаллизации, так и в эвтектоидном интервале. Эти данные были впоследствии широко подтверждены рядом других исследователей, показавших, что азот, находящийся в растворе, не только увеличивает глубину отбела в отливках, но и препятствует графитизации в процессе отжига. Однако важно отметить, что одновременная присадка титана и других нитридообразующих металлов (Al, Zr, В, Mg) не только уменьшает тормозящее графитизацию влияние азота, но и прямо способствует распаду карбидов. Образующиеся нитриды и другие соединения могут удалиться из металла, поэтому содержание азота в чугуне после присадки магния заметно уменьшается, хотя и в меньшей степени, чем содержание кислорода и водорода.

В зависимости от состояния азот может различным образом влиять на величину эвтектического зерна в сером чугуне, размельчая или укрупняя его. На графит же серого чугуна азот действует так, что устраняет или сглаживает выделения междендритной ориентации и делает их более разобщенными. Задерживая графитизацию и в эвтектоидном интервале, азот способствует также уменьшению количества феррита в структуре и стабилизации перлита. Таким образом, влияние азота на структуру (а значит и свойства) чугуна весьма ощутимо.

He меньшее влияние на структуру чугуна оказывает водород. Несмотря на весьма низкое содержание этого элемента в чугуне, он значительно тормозит графитизацию во всех температурных интервалах, особенно при низком содержании углерода и кремния, как это показано Н.Г. Гиршовичем и Е.И. Егоровым на рис. 90 и еще раньше А.А. Горшковым и Н.Т. Жаровым, которые установили прямую зависимость между глубиной отбела а на специальной пробе и влажностью дутья m (в Г/м3) при плавке в вагранке

Водород оказывает отрицательное влияние и на графитизацbю в эвтектоидном интервале, что замедляет ферритизацию. В отношении же влияния водорода на форму и распределение графита в чугуне есть основания полагать, что он действует подобно сере. Из рис. 91 следует, что чем больше содержание водорода в атмосфере при отжиге ковкого чугуна, тем меньшее отношение S:Mn необходимо для получения шаровидного графита. Точно так же водород, как и сера (рис. 92), увеличивает переохлаждение чугуна. Поэтому нужно считать, что с повышением содержания водорода, принадлежащего, по-видимому, по характеру своего действия к группе S, Se, Te, неориентированный пластинчатый графит сначала переходит в междендритный, затем в анормальный и, наконец, в компактный с одновременным выделением в последнем случае цементита. Поэтому в зависимости от концентрации водорода и других примесей можно получить разные результаты как в отношении степени графитизации, так и в отношении формы и распределения графита. То же, по существу, можно сказать и о кислороде, влияние которого в сильной степени зависит от характера состояния его в чугуне. Подавляющая часть его образует соединения с Si, Mn, Al и другими элементами, которые в той или иной мере служат зародышами при кристаллизации графита, незначительная же часть находится в растворе и в некоторой степени (слабее, чем азот и водород) тормозит процесс графитизации или даже ведет себя нейтрально, если не производится продувка чугуна. Поэтому введение кислорода, как и других газов, оказывает различное влияние на графитизацию в зависимости от способа его введения и состава металла, но в общем оказывает слабое влияние.

Особым и весьма важным вопросом является влияние газов на образование шаровидного графита в чугуне. Как показано рядом исследователей и особенно Б.С. Мильманом и Н.Ю. Поповой, присадка магния и других подобных модификаторов резко снижает содержание газов, в особенности кислорода. Об этом свидетельствуют, например, следующие данные об изменении содержания газов в %:

Установлено, что так же, как и обессериванне, дегазация чугуна повышает его поверхностное натяжение. Кроме того, утверждается, что необходимым условием образования шаровидного графита при обработке чугуна магнием является низкое содержание не только серы, но и газов. К сожалению, однако, не поставлен (а может быть и невозможен) опыт с наличием магния при обычных концентрациях газов. Поэтому вопрос о роли газов в процессе образования шаровидного графита полностью не разрешен, однако, как уже ранее указывалось, количество и характер газов, по-видимому, действительно оказывают влияние на форму графита.


Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2020
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна