ЭНДОГЕННЫЕ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ВКЛЮЧЕНИЯ

⇐ ПредыдущаяСтр 21 из 34Следующая ⇒

Эндогенные это включения, образовавшиеся в результате химических реакций, протекающих в процессе обработки и охлаждения расплава и затвердевания отливки. В этой группе включений различают соединения следующих видов: оксиды, сульфиды, оксисульфиды, нитриды и карбонитриды. В литой стали они присутствуют в форме раз личных кристаллов и глобулей. С понижением температуры жидкой ста ли растворимость кислорода, азота, серы снижается, и они вступают в соединения с другими компонентами стали, образуя неметаллические включения. Если растворимость указанных элементов в жидкой стали велика и резко снижается только при кристаллизации, то включения рас полагаются вокруг зерен твердого металла в виде оболочек или цепочек. В процессе кристаллизации стали расплав непрерывно обогащается примесями, что вызывает междендритную и зональную сегрегацию включений.

Причем, чем толще стенка отливки, тем больше размер включения (рис. 5.7).

Эндогенные включения по времени их образования делят на следующие группы (В. И. Явойский):

— первичные выделяются в процессе плавки стали и при ее раскислении;

— вторичные или докристаллизационные — выделяются из стали после конечного раскисления до температур кристаллизации;

— третичные или кристаллизационные — выделяются в процессе кристаллизации отливки

— четвертичные или послекристаллизационные — выделяются уже в твердой отливке при ее охлаждении, когда резко снижается растворимость кислорода, азота и других примесей.

Выделение включений на всех этапах происходит вследствие снижения растворимости примесей стали, диффузии, конвективного массопереноса и других явлений.

Первичные и вторичные включения большей частью удаляются из расплава стали, третичные большей частью остаются, четвертичные полностью остаются в отливке. Поэтому последние две группы неметаллических включений оказывают наиболее сильное негативное влияние на свойства отливок.

УДАЛЕНИЕ ЭНДОГЕННЫХ

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ

Основные меры по борьбе с вредным влиянием включений должны быть направлены на предоставление им возможности всплыть или выделиться из жидкой стали как можно раньше, в дисперсной, беспорядочной или округлой форме.

Всплывание неметаллических включений в расплаве происходит под действием силы f:

(5.2)

где r — радиус включения, см; ρ _ст — плотность жидкой стали, г/см³; ρ _вкл — плотность включения, г/см³.

Скорость всплывания зависит от сопротивления среды этому процессу. Сопротивление среды движению малых сферических частиц определяется законом Стокса:

(5.3)

где ν — скорость всплывания, см/с; η — вязкость жидкой стали, г/(см * с);

g — ускорение силы тяжести, м/с

Определяя скорость всплывания включений из условий равенства f=5, получим:

Анализ формулы (5.5) показывает, что скорость всплывания растет пропорционально квадрату радиуса включения и уменьшению плотности частиц и снижается с повышением вязкости расплава.

Известно, что с повышением температуры вязкость расплава уменьшается. Это означает более эффективное выделение неметаллических включений при повышенных температурах. Поэтому понятно стремление получать неметаллические включения в жидком состоянии, сферической формы, легкокоагулирующими, крупных размеров.

Скорость всплывания включений диаметром 0, 1 мм в стали составляет всего 80 см/мин, диаметром 0, 01 мм — 0, 8 см/мин, диаметром 0, 001 мм — 0, 008 см/мин, для сравнительно крупных марганцевых силикатов диаметром 1 мм определена скорость всплывания в 1550 см/мин (данные Ю. А. Нехендзи).

Следовательно, мелкие включения диаметром около 0, 01 мм практически не удаляются из отливки. Только при очень длительной выдержке в печи или в ковше возможно частичное всплывание мелких включений, что не всегда технологически возможно.

Включения, которые не успевают удалиться и остаются в отливке после ее затвердевания, вызывают дефекты структуры и ухудшают механические свойств.

Основные меры по удалению и снижению вредного влияния неметаллических включений следующие:

- комплексное раскисление стали;

- рафинирование, вакуумирование стали;

- продувка инертными газами и порошкообразными материалами;

- модифицирование включений;

- оптимальный режим заливки форм.

В каждом конкретном случае на практике определяют пути снижения содержания включений в отливках при данной технологии их изготовления, а также пути перевода включений в такое состояние, при котором их негативное влияние на свойства литья было бы минимальным.

Эффективным способом уменьшения влияния неметаллических включений и повышения свойств стали и отливок из нее является модифицирование состава и изменение морфологии включений. Этот способ нашел широкое применение в литейном производстве.

Конечное раскисление стали алюминием, используемое практически всегда в литейном производстве, обеспечивает ее удовлетворительное качество, но не является оптимальным. Образующиеся в стали остроугольные включения оксисульфидов, корунда и шпинелей служат концентраторами напряжений, способствуют образованию микротрещин, охрупчивающих металлическую матрицу, и снижают свойства отливок. Наиболее желательные формы включений округлые или глобулярные, которые гасят возникающие микротрещины. Поэтому в процессе производства стальных отливок стремятся получать глобулярные включения. Для этого широко используются редкоземельные (РЗМ) и щелочноземельные (ЩЗМ) металлы: Мg, Са, Ва, Се, Lа, Y и др. Эти металлы обладают высоким сродством к кислороду, сере, азоту и нейтрализуют их вредное влияние. Введение таких элементов в жидкую сталь приводит к глобуляризации включений, очищению стали от них, измельчению дендритной структуры и зерна. Все это обусловливает повышение литейных, механических и эксплуатационных свойств отливок.

Как правило, РЗМ и ЩЗМ вводят в расплав стали в виде лигатур и ферросплавов: силикокальция, ферроцерия, ЖКМК (железо—кремний — магний — кальций), силикобария, алюмобария и др. Применение лигатур более эффективно, так как увеличивает усвоение РЗМ и ЩЗМ и повышает эффект модифицирования.

После обработки стали силикокальцием природа включений значительно меняется. Угловатые включения типа III становятся глобулярными перитектическими включениями типа I. Эти комплексные оксисульфидные включения располагаются внутри металлической матрицы дезориентированно на значительном расстоянии одно от другого. Остроугольные кристаллические включения корунда и шпинелей находятся внутри округлых сульфидных оболочек. Механические и эксплуатационные показатели отливок значительно улучшаются.

Из редкоземельных металлов для обработки расплавов стали наиболее часто применяют лантан, церий, иттрий. Характерной особенностью РЗМ является их высокое химическое сродство к большей части элементов, содержащихся в стали, особенно к таким нежелательным примесям, как кислород, сера, азот, водород, фосфор, цветные металлы (Рb, Вi, Sb, Sn и др.). РЗМ не только снижают содержание этих примесей в стали, но и переводят их из активных форм в пассивные, что способствует очищению границ зерен. Включения, образуемые РЗМ (оксиды, сульфиды, нитриды), оказывают также модифицирующее влияние на структуру стали.

Однако следует отметить, что плотность включений РЗМ с примесями стали незначительно меньше плотности самой стали, поэтому их удаление затруднено. Следовательно, наибольший эффект от обработки стали добавками РЗМ достигается при их воздействии на морфологию оставшихся включений.

Основными критериями оценки модификаторов неметаллических включений следует считать: энергию образования элементов с кислородом, серой, азотом и углеродом, их растворимость в жидкой стали, давление пара при температурах жидкой стали, стоимость модификаторов, плотность образуемых ими включений. Стандартная свободная энергия образования сульфидов, оксидов, оксисульфидов, нитридов и других соединений определяет интенсивность модифицирующего воздействия отдельных элементов.

При модифицировании неметаллических включений должна быть установлена стандартная технология, обеспечивающая воспроизводимость результатов при оптимальном сочетании степени чистоты стали, свойств отливок и их стоимости.

⇐ Предыдущая 16 17 18 19 202122 23 24 25 Следующая ⇒