» » Исследование влияния вакуумирования чугуна на его структуру и свойства
25.12.2014

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%.
Исследование влияния вакуумирования чугуна на его структуру и свойства

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).
Исследование влияния вакуумирования чугуна на его структуру и свойства

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.
Исследование влияния вакуумирования чугуна на его структуру и свойства

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.
Исследование влияния вакуумирования чугуна на его структуру и свойства

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.