Целью работы являлось исследование влияния внепечного вакуумирования чугуна на его структуру и свойства. Установка для исследования состояла из камеры, в которую устанавливался ковш с жидким чугуном, рессивера и вакуум-насоса. Рессивер принят по объему в 10 раз больше объема камеры, что обеспечивало получение в камере остаточного давления 1 мм рт. ст. при отключенном насосе. При вакуумировании ковш с жидким металлом выдерживался в вакуумной камере в течение 2, 3, 4 и 5 мин при остаточном давлении 100, 50, 30, 10 и 1 мм рт. ст.
Температура выпуска металла из печи и заливки образцов была постоянной и контролировалась термопарой погружения.
Для определения влияния вакуумирования на процесс графитизации отливались образцы из белого чугуна и отжигались с разными режимами. Металлографические исследования производились на микроскопе МИМ-8 и электронном микроскопе ЭМ-3. Состав газа анализировался методом вакуум-плавления.
При создании разрежения над ванной жидкого металла из него начинается выделение пузырьков газа тем интенсивнее, чем выше температура металла и степень разрежения. Процесс дегазации чугуна в процессе вакуумирования наблюдался визуально, по виду кипения жидкого металла.
При вакуумировании значительно изменялось содержание газов в чугуне. Температура чугуна находилась в пределах 1240—1260° С.
При вакуумировании в течение 3 мин удаляется всего 2% содержащихся в чугуне газов. Увеличение времени выдержки до 4 мин способствует резкому увеличению выделения газов примерно до 50%. Дальнейшее увеличение выдержки, до 5 мин, уже не дает такого эффекта.
С увеличением разрежения количество удаленных газов увеличивается. Наиболее интенсивно газы выделяются при остаточных давлениях от 30 до 1 мм рт. ст.
Для определения влияния вакуумирования на жидкотекучесть чугуна; заливалась спираль.
Исследовался чугун двух составов (в %): первый — 3,46% С, 2,1% Si; 0,52% Mn; 0,19% Р; 0,05% S; второй - 3,0% С; 1,35% Si; 0,42% Mn; 0,21% Р; 0,16% S.
По мере увеличения степени дегазации чугуна жидкотекучесть увеличивается (рис. 1). Наиболее интенсивное увеличение жидкотекучести наблюдается после 3—4 мин вакуумирования.
При остаточных давлениях 10 и 30 мм рт. ст. жидкотекучесть чугуна увеличивается на 25—35% по сравнению с исходным чугуном. Температура заливки спиралей из чугуна первого состава и второго была соответственно 1240 и 1260°.
Влияние вакуумирования на предел прочности при изгибе исследовалось на чугуне двух составов. Чугун первого состава подвергался вакуумированию при остаточном давлении 0,1 мм рт. ст.; второго состава при остаточном давлении 1; 30; 50 и 100 мм рт. ст. Увеличение предела прочности при изгибе и растяжении после вакуумирования составляло от 10 до 20%.
Вакуумирование чугунов как первого, так и второго составов показало, что твердость сплава при этом снижается на 10—15%. Это явление объясняется изменением микротвердости феррита при удалении из него растворенных газов.
Объем раковин и пор в отливке после вакуумирования уменьшился в три раза.
При вакуумировании из чугуна удалялось до 50—70% растворенных в металле газов, что оказало значительное влияние на структурообразование и графитизацию чугуна.
В чугуне первого состава после вакуумирования графитовые включения из крупнопластинчатых становились мелкопластинчатыми и частично розеточными, а структура основной металлической массы с перлитной переходила в перлито-ферритную с расположением феррита вокруг графитных включений в виде оторочки. Длина графитных включений изменялась от 40 мк в исходном чугуне до 10—20 мк в вакуумированном.
С понижением содержания углерода и кремния (суммы С + Si до 4,5%) склонность к ферритообразованию уменьшалась. Так, при вакуумировании чугуна с содержанием 1,35% S и 2,9% С структура становится, перлитной.
Для исследования влияния вакуумирования на структурообразование и графитизацию образцы из белого чугуна отжигались при температуре 1000° в течение часа и охлаждались с печью. Затем определялось газосодержание образцов исходного и вакуумированного чугуна до и после термической обработки (табл. 1).
В структуре вакуумированного чугуна остались следы неразложившегося цементита, т. е. первая стадия графитизации прошла полностью. В исходном чугуне наблюдалось значительное количество цементита. Это подтверждает отрицательное влияние, оказываемое растворенными в металле газами как на число центров графитизации, так и на скорость диффузии углерода отжига.
При вакуумировании чугуна (как и при вакуумировании стали) наблюдалось уменьшение количества неметаллических включений. Если в исходном чугуне количество неметаллических включений составляло 0,009%, то после вакуумирования — 0,007%. При металлографическом исследовании исходного и вакуумированного чугунов установлено, что неметаллические включения в чугуне представляют собой в основном сульфиды, равномерно распределенные на плоскости шлифа, и очень небольшое количество силикатов. При металлографических исследованиях исходного и вакуумированного чугуна наблюдается наличие неметаллической фазы на границах ферритных зерен в отожженных образцах чугуна. Между отдельными зернами имелись прослойки-пленки неметаллической фазы, присутствующей как в исходном, так и в вакуумированном чугуне. В последнем их наблюдается меньше. При просмотре границ зерен исходного и вакуумированного чугуна на электронном микроскопе установлено, что вид неметаллической фазы и характер границ зерен в чугунах совершенно различный. В исходном чугуне границы зерен имеют вид сильно ломаной линии с большим количеством различных включений. В вакуумированном чугуне после дегазации характер границ зерен резко отличается от исходного, границы представляют собой в основном прямые линии с незначительным количеством неметаллической фазы.
При проведении работы удалось подобрать электролит и выделить неметаллические пленки (рис. 2), расположенные по границам зерен.
Пленки представляют собой очень тонкие лепестки. По степени просвечивания электронным лучом на электронном микроскопе толщина их составляет около 10—15 А. При рассмотрении под сильной лупой отдельные сгустки пленок в растворе имели вид, напоминающий пчелиные соты. На некоторых пленках наблюдались точечные включения, представляющие собой, по-видимому, мельчайшие частицы углерода отжига. Анализ показал наличие в составе пленок железа, фосфора и кремния.
Для определения влияния газосодержания на изменение кристаллической решетки и возможное образование дислокаций исследования по выявлению дислокаций проводились по методике, применяемой в Институте металлургии им. А. А. Байкова.
Количество газов в исходном и вакуумированном чугуне приведено в табл. 2.
Микроструктуры исходного (а) и вакуумированного (б) чугуна после травления показаны на рис. 3, где наглядно видна разница в количестве дислокаций.
Плотность дислокаций в исходном чугуне составляла 21*10в6 см-2, а после вакуумирования — 54*10в6 см-2.