» » Влияние вакуумной разливки на газонасыщенность сталей с различным содержанием марганца и хрома
25.12.2014

В работе излагаются результаты исследования вакуумной разливки сталей с различным содержанием марганца и хрома.
Стали выплавлялись в основной индукционной печи емкостью 150 кг. Из металла каждой плавки при атмосферном давлении и в вакууме отливались два слитка весом по 50 кг.
В целях более четкого определения влияния вакуумирования на свойства сталей металл алюминием не раскислялся. Спектральным методом во всех сталях содержание алюминия обнаружено не было. Вакуумная камера для заливки была объемом около 0,35 м3. Разрежение порядка 2—5 мм рт. ст. в процессе разливки обеспечивалось с помощью двух вакуумных насосов типа ВН-6Г.
Температура металла в печи перед выпуском и в ковше перед разливкой измерялась вольфрам-молибденовой термопарой погружения. Отливались стали с содержанием марганца 0,5; 1,0; 5,0; 10,0; 15,0% и хрома — 0,5; 1,0; 2,0; 5,0; 10,0; 15,0 и 20,0%.
Исследовался металл литой и кованый.
В табл. 1 представлены химический состав и параметры разливки сталей с различным содержанием марганца. Данные таблицы свидетельствуют о сравнительно небольших отличиях температуры металла перед разливкой при вакуумной разливке каждой плавки.
Влияние вакуумной разливки на газонасыщенность сталей с различным содержанием марганца и хрома

Из слитков вырезались образцы и в них методом вакуум-плавления определялось содержание газов.
На рис. 1 приведены результаты газового анализа. Как видно из рис. 1, содержание азота с увеличением концентрации марганца возрастает и достигает при 14,3% марганца 0,020%. Количество азота, удаляемого при разливке в вакууме, составляет примерно 15—20%.
Это объясняется, по-видимому, низкой диффузионной способностью азота и образованием довольно стойких нитридов марганца. Кроме того, в условиях экспериментов, когда давление при разливке составляло 2,5—10 мм рт. ст., парциальное давление азота в газовой фазе было сравнительно велико, что также затрудняло удаление азота.
Влияние вакуумной разливки на газонасыщенность сталей с различным содержанием марганца и хрома

На рис. 2 представлено изменение содержания кислорода от концентрации марганца в стали. Содержание кислорода в стали уменьшается от 0,04 до 0,01 % при разливке при атмосферном давлении и от 0,02 до 0,008% — в вакууме.
Влияние вакуумной разливки на газонасыщенность сталей с различным содержанием марганца и хрома

Количество удаленного кислорода при разливке в вакууме с увеличением содержания марганца меняется от 50 до 20% от первоначального его содержания.
С возрастанием содержания марганца в стали удаляется меньше кислорода при вакуумной разливке, потому что раскислительная способность марганца постепенно увеличивается, достигая максимума в области его концентраций свыше 10%.
В этом случае при наличии высоких концентраций марганца происходит уменьшение роли углерода как раскислителя в вакууме, т. е. в сплавах с большим содержанием марганца удалить значительное количество кислорода в вакууме становится более затруднительно. Кроме того, в вакууме имеет место интенсивное испарение марганца из стали, особенно при его высоких содержаниях. Пары марганца, имеющие высокую упругость, создают своеобразную, защитную подушку, затрудняющую удаление кислорода.
Влияние вакуумной разливки на газонасыщенность сталей с различным содержанием марганца и хрома

В табл. 2 приведены химический состав сталей с различным содержанием хрома и параметры разливки. Эти данные показывают достаточно высокую стабильность всех экспериментов по химическому составу, температуре и давлению разливки.
На рис. 3 графически изображены результаты газового анализа сталей.
Влияние вакуумной разливки на газонасыщенность сталей с различным содержанием марганца и хрома

Как видно из рис. 3, количество удаляемого азота при вакуумной разливке практически не меняется, несмотря на значительное увеличение растворимости азота с возрастанием содержания хрома. Наблюдается зависимость аналогичная сталям с различным содержанием марганца.
Небольшой процент удаления азота (15—20%) объясняется, как и в предыдущем случае, весьма низкой диффузионной способностью азота. Возрастание содержания азота с увеличением количества хрома объясняется большим сродством азота и хрома и образованием прочных нитридов хрома.
Как видно из рис. 4, содержание кислорода при увеличении концентрации хрома также возрастает. Эта кривая очень хорошо согласуется с результатами работы В. В. Аверина и А. М. Самарина, где показана растворимость кислорода в железохромистых сталях в присутствии других элементов, в частности кремния. Относительно постоянное выделение кислорода (-30%) при различных содержаниях в сталях хрома можно объяснить тем, что количество разрушившихся включений, в частности Сr2O3, определяется главным образом содержанием углерода и при увеличении его выше 0,2% остается постоянным. В данном случае количество кислорода определяется в основном окисными включениями хрома. То же самое можно сказать и о сплавах с различным содержанием марганца.
Исследовались стали с содержанием марганца 0,52; 1,08%; хрома — 0,46; 1,14; 1,96% и никеля — 1,8%. Глобулярные сернистые включения, беспорядочно расположенные до вакуумирования, после вакуумной обработки этих сталей принимали форму цепочек и располагались по границам зерен на ферритовой оторочке.
Такое расположение включений оказало вредное влияние на механические свойства сплавов. В результате ослабления границ зерен присутствием пленообразных сернистых включений упали пластические свойства сплавов. Особенно это заметно на ударной вязкости, которая в некоторых случаях снизилась на 50—80%. Эта разница ударной вязкости постепенно уменьшалась с увеличением концентрации марганца и хрома и в сталях с их содержанием свыше 5,0% отсутствовала или носила противоположный
Влияние вакуумной разливки на газонасыщенность сталей с различным содержанием марганца и хрома

характер. По-видимому, при таких высоких концентрациях марганца и хрома имеет место повышенная предварительная раскисленность стали этими элементами, что в значительной мере тормозит процессы, связанные с раскислением углеродом неметаллических включений при вакуумной обработке, и приводит к образованию иного типа сернистых включений.
При раскислении стали в вакууме необходимо в каждом отдельном случае учитывать предварительную раскисленность металла, а также степень разрежения в камере. В вакууме происходит интенсивное раскисление включений углеродом. Раскислению подвергаются также и оксидо-сульфидные включения. Поэтому в результате вакуумной обработки стали возможно образование оксидо-сернистых включений, располагающихся по границам зерен в виде плен и цепочек.