Газы в чугуне
Газы в чугуне: общие понятия
Газы в чугуне — это элементы или соединения, находящиеся в обычных условиях в газообразном состоянии. В металле они могут существовать в виде твёрдых неметаллических включений, образовывать поры или быть в составе других фаз. Основные газы, встречающиеся в чугуне, это азот (N), (H) и (O), и их соединения, такие как (CO), (CO2) и углеводороды (CmHn).
Газы в чугуне их влияние
Газы как улучшают, так и ухудшают свойства чугуна. Влияние газов зависит от формы присутствия, концентрации и состава. В жидком чугуне растворимость газов повышенная, больше чем в твёрдом, и нарастает с повышением температуры. Однако общее содержание газа может уменьшаться, поскольку часть его переходит в хим. соединения.
Азот в чугуне
Растворимость N зависима от температуры и хим. состава. Некоторые элементы, это титан (Ti), ванадий (V) и никель (Ni), увеличивают его растворение, тогда как алюминий (Al), медь (Cu) и кремний (Si) — уменьшают. В промышленном чугуне содержание азота не всегда соответствует теоретическим расчётам.
Азот может оказывать разное влияние на структуру чугуна:
Он может формировать нитриды, которые служат центрами графитизации или, наоборот, препятствуют ей. В высокопрочном чугуне (ВЧШГ) азот влияет на ферритную составляющую матрицы. При избыточном содержании азот способствует образованию пористости при медленном охлаждении.
Водород в чугуне
Растворение водорода подчиняется закону Сивертса: она увеличивается с увеличением его температуры. Элементы, такие как титан (Ti) и цирконий (Zr), способствуют его растворению, а кремний (Si) и алюминий (Al) — снижают. В жидком чугуне водород накапливается в значительных количествах, что при затвердевании может привести к появлению пор и других дефектов.
Кислород в чугуне
Кислород в сплаве может существовать в виде оксидных включений или быть растворённым в металле. Он влияет на процессы коррозии и графитизации. Чтобы уменьшить содержание кислорода, в чугун добавляют магний (Mg) или кальций (Ca). Высокие температуры рафинирования также способствуют снижению кислородных включений.
Влияние состава и условий выплавки на распределение газов
Содержание водорода и кислорода в чугуне меняется в зависимости от состава сплава, технологии плавления и условия хранения. Разные формы водорода проявляют себя по-разному, влияя на свойства чугуна в жидком и твёрдом состоянии. Распределение водорода в отливках обычно неравномерно, и его скопления (ликвация) встречаются чаще и выраженнее, чем у иных газов.
Содержание Н в разных видах чугуна
Количество водорода зависимо от вида чугуна и его обработки:
В доменном чугуне — до 30 см3/100 г и более. В СЧ ваграночной плавки — от 0,7 до 30 см3/100 г. В КЧ после отжигания — от 0,6 до 12 см3/100 г.
Наибольший вклад (до 79%) в общее содержание водорода вносит диффузионно-подвижная форма.
Как водород влияет на свойства чугуна
В зависимости от концентрации и формы Н может:
Замедлять появление графитовой эвтектики. Увеличивать величину и грубость включений графита. Увеличивать стабильность карбидов. Помогать появлению мелкозернистого перлита. Создавать в литье внутренние «белые» пятна из карбидов. Усиливать склонность чугуна к отбелу. Уменьшать жидкотекучесть при наличии алюминия (Al), титана (Ti), магния (Mg) или марганца (Mn).
Влияние водорода на твёрдый чугун
Если твёрдый чугун контактирует с Н, то происходит обезуглероживание по реакции:
Fe3C + 2H2 → 3Fe + CH4
Это приводит к выделению метана (CH4) и разрушению цементита.
Обработка водородом в жидком состоянии
Если расплавленный чугун обработать природным газом или углеводородами, можно добиться эффекта, схожего с модифицированием. Такая обработка изменяет структуру чугуна, улучшая свойства.
Кислород в чугуне: формы и влияние
Кислород в чугуне находится в разных формах:
Поверхностный кислород — адсорбированный на поверхностях отливок или границ фаз. Внутренний кислород-в виде оксидных включений или растворённый в сплаве.
Формирование содержания кислорода
На содержание кислорода влияет состав чугуна и условия его обработки. Например:
Модифицирование ферросилицием (FeSi) увеличивает количество кислорода. Добавление магния (Mg), кальция (Ca) или десульфурация кальцинированной содой снижает содержание кислорода. Во время медленной заливки, особенно при турбулентном потоке, содержание кислорода может достигать 0,2%.
Кислород в твёрдом чугуне
В твёрдом состоянии содержание кислорода нестабильно, поскольку он может проникать внутрь отливок из воздуха, вызывая коррозию. Процесс диффузии кислорода зависит от распределения графита: чем больше графитовых включений на поверхности, тем интенсивнее проходит окисление.
Как кислород влияет на структуру чугуна
Растворённый кислород снижает количество центров графитизации. Но при этом мелкие оксидные включения могут стимулировать процесс графитизации и измельчать структуру графита. Сравнение содержания кислорода до и после модифицирования
Определить формы кислорода помогают анализ оксидных включений и вакуумное восстановительное плавление:
В доменных чугунах: В оксидах: 0,0016–0,0025%. По вакуумному анализу: 0,009–0,010%. В ваграночных чугунах: До модификации: в оксидах — 0,006%, по вакуумному анализу — 0,0016%. После модификации: в оксидах — 0,0077%, по вакуумному анализу — 0,0010%.
Реакции с участием кислорода в жидком чугуне
Содержание кислорода определяется химическими реакциями:
Окисление кремния:
Si + 2O → SiO2 Образование угарного газа:
C + O → CO Восстановление оксида кремния углеродом:
SiO2 + 2C → Si + 2CO
С повышением температуры активнее идут вторая и третья реакции, что снижает содержание кислорода в расплаве. Однако в реальных условиях концентрация кислорода может превышать равновесное значение. При длительном нагреве происходит раскисление, что уменьшает содержание кислорода в металле.
Вывод
Как газы в чугуне влияют на его свойства. Водород оказывает разноплановое влияние на структуру чугуна, способствуя как образованию дефектов (поры, пятна, отбеливание), так и улучшению (дисперсность перлита). Кислород влияет на процессы графитизации и структуру металла, а его содержание можно контролировать модифицированием и раскислением. Управление газовым составом чугуна — ключ к получению материала с заданными свойствами и высокой качественной структурой.
При создании статьи были использованы материалы:
Справочник по чугунному литью, автор Гершович.
