» » Влияние газовой среды при плавке и заливке на качество литого хрома
26.12.2014

Основной причиной хрупкости хрома являются газовые примеси.
Водород с хромом не образует устойчивых химических соединений и удаляется при нагревании в вакууме в интервале температур 400—500° С. растворимость водорода в хроме при кристаллизации резко снижается, одержание водорода в литом металле составляет десятитысячные доли процента, и он не оказывает влияния на свойства металла. Значительная часть азота связана с хромом в виде нитридов, которые могут диссоциировать при нагревании металла.
С понижением давления газовой фазы температура диссоциации нитритов понижается. Окислы хрома стойки при Высоких температурах.
В работе приводятся результаты исследований по выбору оптимальной технологии плавки хрома, обеспечивающей минимальное содержание газов в литом металле.
Плавка металла проводилась в высоковакуумной индукционной печи ОКБ-498м в набивном тигле из двуокиси циркония. В качестве исходного материала использовался нерафинированный хром с содержанием: 0,024-0,030% H2, 0,3% O2, 0,002—0,050% N2.
Опытные плавки проводились в инертной атмосфере аргона, поскольку из-за большой упругости паров хрома при температуре плавления (63,5 мм рт. ст.) плавить металл в вакууме не представляется возможным.
Выдержка хрома с целью разложения нитридов и удаления адсорбированных газов проводилась при температуре 750, 1200, 1400° в течение 30 мин при каждой температуре, а также в расплавленном состоянии.
Хром заливался в металлическую форму для того, чтобы исключить влияние материала формы на содержание газов в отливках. После установки тигля с шихтой и металлической формы полость печи откачивалась до остаточного давления 1*10в-3 мм рт. ст. Натекание в печи составляло 5—10 л*мк/сек.
При отработке режимов плавки были установлены условия, обеспечивающие отсутствие коронного разряда в вакууме при больших напряжениях. Такими оптимальными условиями оказались разрежение 1*10в-3—5*10в-3 мм рт. ст. и напряжение на контуре 1,8—1,9 кв.
В начальный период нагрева хрома происходило интенсивное выделение адсорбированных газов, заметно повышавшее давление в печи. С целью обеспечения постоянного разряжения в печи в процессе дегазации хрома индуктор печи периодически отключался от генератора на 3—5 мин. Сильное газовыделение прекращалось после нагрева шихты до 600—700°. Далее индуктор не отключался. После 20—30 мин выдержки в печь вводился химически чистый аргон (0,01—0,02% N2 и до 0,005 О2) и проводилась плавка хрома. Процесс расплавления 5 кг хрома длился до 5 мин. В табл. 1 показано содержание кислорода и азота в литом хроме в зависимости от температуры и продолжительности выдержки. Из табл. 1 видно, что содержание кислорода несколько повышается по сравнению с исходным, причем чем больше время выдержки, тем выше его содержание. Повышение содержания кислорода происходит, вероятно, за счет взаимодействия металла с материалом тигля и натекания.
Содержание азота при выдержке в 30 мин и температуре 750—1200° уменьшается. Переплав хрома в вакуумной печи без выдержки увеличивает содержание азота с 0,005% в исходном металле до 0,013%. Выдержка металла в расплавленном состоянии приводит к Насыщению азотом до 0,021 %. Выдержка проводилась при остаточном давлении 9*10в-3 мм рт. ст. в течение 5 мин, затем вновь вводился аргон, и процесс плавки и разливки доводился до конца.
Для сравнения качества металла с различным содержанием газа были проведены плавки хрома в открытой печи под слоем флюса следующего состава (в %): известь обожженная — 60; полевой шпат — 15; магнезит — 25. Содержание азота в литом хроме — 0,037—0,730%, кислорода — 0,549—1,330%. Из хрома с таким содержанием газа трудно было изготовить образцы для механических испытаний, так как металл очень хрупок.
Влияние газовой среды при плавке и заливке на качество литого хрома

Эксперименты показали, что оптимальный режим выдержки хрома — 1200° и 30 мин.
Водород после переплава удалялся. В литом металле водорода 0,0004— 0,0009%.
Металл, выплавленный в печи ОК.Б-498м по оптимальной технологии и залитый в металлическую форму, не содержит видимой газовой пористости. Слиток получался плотный с классической усадочной раковиной.
Для обеспечения наименьшего взаимодействия расплавленного хрома с материалом тигля плавка в индукционных печах проводилась в тиглях из плавленой двуокиси циркония, которые предварительно спекаются до получения глазурованной внутренней поверхности.
Результаты исследования показали, что содержание неметаллических включений типа окислов при прочих равных условиях после четвертой плавки примерно в два раза меньше (0,301%), чем после первой (0,66%).
На рис. 1 показаны неметаллические включения (Х200). При плавке в новом тигле неметаллические включения представляют собой большие вытянутые пластины. Исследования структуры хрома показали, что включения располагаются вдоль границ и внутри зерен. Это можно объяснить образованием в тигле защитного шлакового гарниссажа, предотвращающего активное взаимодействие металла с тиглем.
Влияние газовой среды при плавке и заливке на качество литого хрома

Для изучения влияния материала формы на газонасыщение хрома производилась заливка образцов в формы из различных огнеупорных материалов: электрокорунда, магнезита, смеси окислов магния и хрома, магнезиальной шпинели. В табл. 2 показано содержание кислорода в отливках в зависимости от материала формы.
Исследования показали, что микротвердость хрома почти не изменяется от материала формы. На расстоянии 1—2 мм от поверхности колебания микротвердость незначительная. Отсюда можно предположить, что хром незначительно насыщается кислородом из формы.
Азот в пределах 0,002—0,008%, сильно воздействуя на температурный порог хрупкости, практически не влияет на прочностные свойства. Механические свойства литого хрома невысокие. Предел прочности при температуре 20° составляет 12—20 кг/мм2, ударная вязкость литого хрома колеблется от 0,2 до 0,6 кгм/см2.
С целью повышения механических свойств отливок из хрома используются добавки редкоземельных элементов.
В работе приводятся результаты исследования по рафинированию и модифицированию хрома добавками церия и лантана. По этим данным, добавки измельчают зерно и улучшают механические свойства хрома. Наши опыты с добавками церия, празеодима, неодима и лантана в пределах 0,1—1,0% в нерафинированный хром показали, что структура металла укрупняется (рис. 2), а механические свойства практически не меняются (σb в пределах 12—21 кг/мм2-, аk — 0,3—0,5 кгм/см2). Имеется тенденция к уменьшению содержания кислорода с увеличением присадок редкоземельных элементов. Разработанная под руководством С. Я. Резниковой методика электролитического выделения неметаллических включений из хрома позволила определить содержание неметаллических включений в литом металле.
Влияние газовой среды при плавке и заливке на качество литого хрома

Из табл. 3 видно, что содержание неметаллических включений в литом хроме без добавок достигает 0,661 %. С увеличением количества вводимого элемента (от 0,1 до 1,0%) в хром содержание включений уменьшается примерно в два раза.
Анализ неметаллических включений показал наличие в них окислов типа Cr2О3 и окислов редкоземельных элементов. Таким образом, редкоземельные' элементы оказывают рафинирующее действие.
Влияние газовой среды при плавке и заливке на качество литого хрома

С целью выбора оптимального давления аргона для получения качественной заготовки было проведено специальное исследование.
На рис. 3 представлена структура литого хрома при плавках .с использованием различного давления аргона. Содержание кислорода и сумма азота и кислорода в литом металле во всех плавках, поданным химического анализа, примерно одинаково. Из снимков видно, что структура хрома, выплавленного и залитого под давлением аргона — 600 мм рт. ст., мельче структуры хрома, залитого под давлением аргона — 300; 60—90; 1,2 мм рт. ст.
По данным работы Д. Е. Овсиенко и Г. А. Алфинцева, мелкозернистая структура снижает температурный порог хрупкости хрома.
Влияние газовой среды при плавке и заливке на качество литого хрома