CC BY
70
УДК 669.14-404 V
СЛ. Макуров
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЯЗКОСТИ РАСПЛАВОВ -
НА 0СНОВЕ ЖЕЛЕЗА МЕТОДОМ КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ ТИГЛЯ
Вязкость металлических расплавов является объектом многочисленных исследований. Изучение вязкости расплавов на основе железа необходимо не только для разработки теории металлических жидкостей, но и для решения практических задач металлургии.
Вязкость, являясь структурно-чувствительным свойством, может использоваться при анализе процессов диффузий, массопереноса и определять кинетику металлургических реакций, процессов разливки и кристаллизации, структуру получаемого слитка, т.е. выступать как удобный индикатор эффективности различных физико-химических воздействий на металл.
Теоретический расчет вязкости металлов и сплавов, выполненный на основании модели жестких сфер [1], дает удовлетворительное совпадение с экспериментальными данными только для чистых металлов (для сплавов расхождение превышает 30%). Таким образом, наиболее надежная информация может быть получена только прямыми экспериментальными методами.
Обзор указанных методов с подробным указанием преимуществ и недостатков каждого, границы применяемости и пределов их чувствительности дан в работах [2, 3].
В работе [4] приведены данные по температурной зависимости вязкости чистого железа, полученные рядом авторов. Анализ этих данных показывает, что при точности определения 3-5% результаты различаются в два раза. Тем более, следует критически подходить к результатам измерения вязкости стали и сплавов на основе железа.
В настоящее время установлено, что углерод понижает вязкость чистого железа [4]. Аналогично углероду влияют такие элементы, как кремний, марганец, хром, фосфор, которые также имеют отрицательную вязкостную активность.
Положительной вязкостной активностью характеризуются такие элементы, как кислород, сера, азот (этим элементам свойственна также высокая поверхностная активность в жидком железе). Однако, в работе [3] отмечено противоположное влияние серы - понижение вязкости расплава до содержания серы 0,05 %. '
Сведения о влиянии легирующих элементов на вязкость расплавленного
железа также не являются однозначными и требуют уточнения. Тем более, что незначительное увеличение концентрации растворенного кислорода в расплаве может вызвать увеличение вязкости, превышающее ее снижение под влиянием других легирующих элементов.
В настоящей работе для исследования вязкости металлических расплавов использован метод, основанный на регистрации затухающих крутильных колебаний цилиндрического тигля, заполненного жидкостью [5].
Прототипом экспериментальной установки послужил вискозиметр, описанный в работе [6].
Экспериментальная установка состоит из трех основных частей: печи сопротивления с графитовым нагревателем, вискозиметра, устройства для автоматической регистрации крутильных колебаний.
Конструкция вискозиметра отличается от известных системой нижнего подвеса тигля (Печь находится вверху и может перемещаться), что улучшает точность измерений. Важным преимуществом такой системы является удобство манипулирования с расплавом в процессе измерения, например, введение присадок в сплав или измерение температуры непосредственным погружением термопары.
Согласно литературным данным [4] вязкость металлических расплавов изучена при температурах, значительно превышающих температуру ликвидус.
В ряде случаев, например, при совершенствовании режимов разливки стали, необходима информация о вязкости сталей при небольшом перегреве над температурой ликвидуса.
Поскольку содержание углерода в большинстве промышленных сталей составляет 0,2-0,8% (по массе), то для исследований приготовили образцы с примерным содержанием углерода 0,2 и 0,7%.
В качестве исходных материалов дня приготовления образцов
использовали карбонильное железо и спектральный графит.. Образцы выплавляли в алундовых тиглях, в печи сопротивления, в атмосфере аргона.
Для исключения переохлаждения образцов при исследовании их вязкости, нагрев и охлаждение цели при проведении экспериментов производили с малой скоросгью (не более 10 град/мин).
Ход политерм вязкости при температурах, превышающих 1530 °С, близок к линейному, а различия вязкости'образцов с разным содержанием углерода являются небольшими.
Результаты исследований приведены на рисунке.
Аномальный ход кривой малоуглеродистого сплава наступает при температуре, превышающей температуру ликвидуса (1524°С) примерно на 15°с.
Для сплава, содержащего 0,68 % углерода, изменение кривизны политермы отмечено при температуре на 20-25 °С выше ликвидуса (температура ликвидуса этого сплава согласно диаграмме железо-углерод равна 1492 °С.)
е.о
05
. А \ I | .
1 \ 1 V \ 1 А X | б •■ер с\
1 1 В А I ! » 1 Ч * "
1 1 1 ......'„;! ■ Т»:: Л» ч о ; !
№40
изо ,/ш /бы
Температура, 'С
Рис. Политермы вязкости сплавов железо-углерод.
Цифры у кривых : 1 - 0,20 % С, 2 - 0,68 % С. образец 0,20 % С: 0 - первый нагрев, • - первое охлаждение, X - второй нагрев, Д - второе охлаждение, образец 0,68 % С: □- первый нагрев, ■ - первое охлаждение, Д- второй нагрев, * - второе охлаждение.
Пунктиром показаны температуры ликвидуса сплавов с содержанием: А-0,2% С, Б-0,68% С.
Максимум на кривой I (сплав 0,20 % углерода) в точности соответствует температуре ликвидуса стали. Таким образом, по зависимости вязкости стали от температуры возможно установить температуру ликвидуса. Понижение вязкости ниже ликвидуса (кривая 1) не имеет реального смысла и связано с образованием двухфазной зоны в переохлажденном металле. В последнем случае используемая методика измерения вязкости применяться не может.
На кривой 2 (сплав 0,68% углерода) максимум отсутствует, а повышение вязкости вблизи ликвидуса (1492 °С) является более плавным. Металл в последнем случае находится- в жидком состоянии вплоть до температуры 1400 °С. Это связано с тем, что сплавы со средним и высоким содержанием углерода образуют развитую двухфазную зону, а твердая фаза выделяется В интервале температур кристаллизации более равномерно, чем в случае малоуглеродистых сплавов, где большая часть кристаллов выделяется вблизи ликвидуса^
Для обоих сплавов скачок вязкости вблизи температуры ликвидуса составляет поряд ка 0,5 х 103 Па с, что необходимо учитывать при разработке температурных режимов разливки стали.
Большое значение для металлургической практики имеет выяснение зависимости вязкости стали от содержания раскислителей и легирующих элементов. В результате проведенных исследований установлено, что добавки кремния к железу повышают вязкость расплава.
В последнее время высокие требования предъявляются к нержавеющим сталям, используемым для производства деталей атомных реакторов. В связи с этим, проведено исследование вязкости расплавов хромоннкелевых сталей в широком температурном интервале. Изучено влияние содержания никеля на вязкость сталей, содержащих 14 и 19 % хрома. В этих сталях установлен минимум вязкости при содержании никеля порядка 15%. Установлено значительное понижение вязкости при увеличении содержания в стали 08Х18НЮТ никеля, алюминия, кремния, марганца в пределах, установленных стандартом,
Весьма актуальной в настоящее время является задача получения гомогенной структуры отливки и замены такими отливками кованых изделий. Одним из путей улучшения качества отливок является микролегироьание стали. Поэтому важное значение приобретает изучение влияния микролегирующих элементов на вязкость жидкой стали, которая определяет ее литейные свойства.
Проведено исследование влияния добавок циркония, ванадия и ниобия на вязкость нержавеющей стали, содержащей 13% хрома, 6% никеля, 0,5% молибдена. Было установлено, что присадки циркония в количестве 0,15% слабо изменяют вязкость стали, а добавки (до 0,3%) ванадия или ниобия в значительной мере повышают вязкость (на 15-20%).
Таким образом, в результате проведенных исследований получены новые данные по вязкости расплавов на основе железа в широком диапазоне температуры. Полученные результаты необходимы при разработке оптимальных режимов выплавки и разливки стали.
Перечень ссылок
1. Островский О.И., Вьюнов В.М., Григорян В.А Исследование вязкости жидких
железа, кобальта и никеля //Изв.вузов. Черная металлургия.-1982.-№ 3.- с.1-5.
2. БелащенкоД.К. Явления переноса в жидких металлах и полупроводниках. - М.:
Атомиэдат, 1970. - 400 с..
3. Вертман А.А.,СамаринА.М. Методы исследования свойств металлических
расплавов.- М.: Наука, 1969.-197 с.
4. Арсентьев П.П., Коледов Л.А. Металлические расплавы и их свойства.- М.:
Металлургия, 1976.-ß76 с.
5. Швидковский Е.Г. Некоторые вопросы вязкости расплавленных металлов. - М.:
ГИТТЛ, 1955.- 184 сл
6. Schenk; H., Frel&erg М. G., Hoffman X. Beitrag Zur Messung der Viskosital metallischer
Schmelzen bei' hohen Temperatur«! //Arch, fur das Eisenhttttenwesai. -1963.- Bd.34.- № 2.- S.93-98.
