CC BY
94
Рис. 2. Микроструктура железоборидного эвтектического сплава а) - х ¡3090; 6) - х 500.
1 S
дящийся в составе пропитывающих сплавов, являясь поверхностно-активным элементом, уменьшает межфазное натяжение расплавов, что улучшает смачиваемость ими частиц пористой железной прессовки.
На основании исследований сделан вывод, что при пропитке и жидкофазном спекании зарождение центров кристаллизации обусловлено состоянием подложки — поверхности порошинок матричного материала, образующих пористую прессовку (геометрией и теплофизическими свойствами). Эти условия приводят к формированию тонкодифференцирован-ной структуры эвтектического сплава в порах прессовки и, как следствие, повышению механических свойств композиционных материалов.
Библиографический список
1. Кипарисов С.С., Либенсон Г.АП. Порошковая металлургия.
— М.: Металлургия, ¡971. — 528с.
2. Порошковая металлургия. Спеченные и композиционные материалы/Под ред. В. Шатта пер. с нем. —М: Металлургия, 1983.
- 520 с.
3. Таран Ю.Н., МазурВ.И. Структура эвтектических сплавов. -М.: Металлургия, 1978. - 312с.
4. Григорович В.К. Жаропрочность и диаграммы состояния.
— М.: Металлургия, 1969. — 324с.
5. Семенченко В.К. Поверхностные явления в металлах и сплавах. —М.:Гостехиздат, 1957. - 491 с.
6. Еременко В.Н. Поверхностные явления и их роль в процессах жидкофазного спекания и пропитки пористых тел жидкими металлами //Современные проблемы порошковой металлургии. -Киев: Науковадумка, 1970. - С. 101-121.
7. Наидич Ю.В. Контактные явления в металлических расплавах. — Киев: Науковадумка, 1972. — 196с.
8. Лакедемонский A.B. Биметаллические отливки. -М.Машиностроение, 1964. — 168 с.
9. Гурдин В.И., Поляков Е.П., Акимов В,В. Получение композиционных материалов методом жидкофазного спекания./Проб-лемы современных материалов и технологий производства наукоемкой продукции: Сборник научных трудов. — Пермь:ПГТУ, 1993.
- С. 18-21.
ГУРДИН Виктор Иванович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Машины и технология литейного производства».
УДК 66» 187 621 745 58 С- Н> ЖЕРЕБЦОВ
ЗАО «Омский завод специальных изделий», г. Омск
ОСОБЕННОСТИ ОЧИЩЕНИЯ МЕТАЛЛА ОТ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ ПРИ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОМ ПЕРЕПЛАВЕ
Объясняются особенности процессов рафинирования на границе металл-шлак и механизм трансформации неметаллических включений при электрошлаковом переплаве металла. Сделан вывод о повышении чистоты металла, уменьшении и изменении состава включений за счет снижения кислорода во флюсе и металле, при протекании окислительно-восстановительной реакции в жидкой ванне.
Процессу удаления неметаллических включений процесса, в общем, остается невыясненным. Одни
при обработке металла шлаками посвящено боль- исследователи считают, что включения удаляются за
шое количество исследований, в результате которых счет всплывания их в жидкой металлической ванне,
определены условия максимального удаления из ме- другие - что их удаление происходит на конусе плавя-
таллашлаковых включений. Однако механизм этого щегося электрода, причем интенсивность рафиниро-
вания определяется скоростью растворения частиц, выходящих на поверхность раздела металл - шлак. Некоторые исследователи полагают, что в процессе рафинирования играют большую роль межфазные явления на границе металл - шлак - включение. Другие авторы делают допущение, что удаление включений может зависеть от всех вышеперечисленных факторов в соответствии с условиями процесса.
В настоящей статье делается попытка на базе литературных данных и экспериментальных исследований авторов определить особенности рафинирования металла при электрошлаковом переплаве (ЭШП).
Во многих работах было показано, что в процессе ЭШП неметаллические включения значительно трансформируются. В составе включений появляются окислы, присутствующие в шлаке. Так, при переплаве на флюсе АНФ-6, содержание глинозема в металле повышается до определенного уровня независимо от состава включений в исходном металле. По данным исследований, включения в металле, переплавленном на шлаке, соответствующем системе СаР2-А1203 в подавляющем большинстве состоят из корунда, хотя в исходном металле таких включений не было.
При переплаве на флюсе системы СаР2-БЮ2 в металле обнаружены включения на основе кремнезема. При наличии в шлаках других окислов, например, СаО, МдО, Сг203 они неизбежно обнаруживаются в неметаллических включениях. В результате ЭШП меняется не только форма и состав включений, но и их размеры. При уменьшении общего содержания включений в слитке число их может превышать количество включений в электроде и капле, проходящей через шлак. Число окисных включении в слитке значительно больше, чем в капле и исходном металле, хотя процентное содержание их меньше. Такое измельчение включений, как и изменение химического состава, не объясняется ни одной из существующих гипотез, относящихся к механизму удаления включений при ЭШП. Изменение формы и состава включений было неоднократно отмечено и при обработке металла синтетическими шлаками. В частности, при контакте с известково-глиноземистым шлаком повышается содержание глинозема во включениях, в случае добавок в шлак двуокиси титана обнаруживаются окислы и нитриды титана.
Перечисленные факты могут говорить о том, что содержание окисных включений в стали, обработанной шлаком, определяется не только и не столько удалением исходных включений, сколько сложным взаимодействием металлического расплава со шлаком.
Исчезновение в слитках ЭШП включений исходного металла может произойти либо за счет их полного удаления в шлак, либо за счет растворения их в расплавленном металле. Скорее всего, идут оба процесса, в результате которых в жидкой металлической ванне включения как таковые не существуют. Они находятся в растворенном состоянии, диссоциированные на кислород и элемент - раскислитель. Некоторые факты указывают на правомерность этого предположения. Содержание кислорода в промышленном металле часто бывает близким к равновесному. В качестве примера рассмотрим сталь 09Г2С. Содержание алюминия, который определяет содержание в этой стали кислорода, обычно составляет 0,021-0,052 %. В промышленных условиях содержание, кислорода при этих содержаниях алюминия составляет около 0,003-0,004 %, что можно считать сопоставим с равновесными значениями, иначе говоря
весь кислород, имеющийся в металле, находится в равновесном состоянии.
При исследовании распределения включений в слитке стали, раскисленной алюминием, обнаружили, что алюминатные включения практически целиком располагаются в междендритных областях. Иначе говоря, они выделяются во время затвердевания последних порций металла, обогащенных ликватами. Если бы включения существовали в жидком металле, какая-то часть их безусловно располагалась бы в осях дендритов.
Раздробление включений в результате электрошлакового переплава хорошо объясняется именно тем, что в жидком металле они не существуют. Включения выпадают при охлаждении и кристаллизации слитка, а так как условия эти при электрошлаковом переплаве отличаются от условий кристаллизации обычного слитка, то размеры включений резко отличаются в том и другом случае даже при одном и том же содержании кислорода и раскислителей.
В процессе ЭШП идут окислительно-восстановительные реакции, приводящие к окислению ряда элементов металла и восстановлению элементов шлака. Особенность электрошлакового переплава, при котором взаимодействие проходит в разных температурных полях, по-своему влияет на эти реакции, запутывая общую картину процесса. На поверхности раздела конус расходуемого электрода - шлак температура близка к температуре плавления металла, на поверхности раздела шлак - жидкая металлическая ванна температура достигает 1820-1930 °С. При повышенной температуре заметно развиваются реакции восстановления таких элементов из шлака, как алюминии, кальций, магний и др. Восстановление алюминия кремнием из шлака типа АНФ-6 при температуре 1820 °С почти в 3,2 раза выше, чем при температуре 1620 °С. Необходимо отметить, что увеличение содержания алюминия или других элементов с повышенным сродством к кислороду не снижает концентрации последнего, т.к. она определяется теми же элементами, которые восстанавливают алюминий. По мере наплавления слитка металл охлаждается и за счет температурных эффектов происходит ассоциация окислов. При этом элементы с большим сродством к кислороду, имеющие больший температурный коэффициент реакции раскисления, соединяются с кислородом в первую очередь. В случае переплава металла, раскисленного кремнием на флюсе АНФ-6, выпадают окислы алюминия.
Выпадение из раствора неметаллических включений может существенно тормозиться поверхностными явлениями, в частности, высоким межфазным натяжением на границе раздела металл — глинозем. Поэтому включения глинозема должны наиболее интенсивно выделяться либо в комплексе о другими включениями (СаО, МдО,ЗЮ2), либо при кристаллизации металла, т.е. в условиях, когда есть какие-то подложки для выделения глинозема.
Аналогичным образом может идти взаимодействие металла с шлаками другого состава, например со шлаком типа АНФ-7, АНФ-9 и др. В этом случае в составе включений и появляются окислы кальция или магния.
Протекание окислительно-восстановительных реакций приводит к изменению состава шлака, в нем появляются окислы элементов исходного металла, например, при переплаве металла, раскисленного кремнием, на флюсе АНФ-6 происходит восстановление окислов алюминия из шлака.
В начале плавки этот процесс интенсифицируется малой активностью кремнезема шлака. Измене-
ние состава шлака отражается на составе неметаллических включений. В них появляются окислы кремния.
Появление в металле окислов шлака в общем виде может быть выражено законом распределения, согласно которому «отношение концентрации компонента в двух равновесных жидких фазах является величиной постоянной при различных его концентрациях».
Распределяемое вещество вследствие ассоциации или диссоциации может обладать в разных растворителях неодинаковым размером частиц.
На основании соотношений, во всех случаях концентрация растворенного элемента в одной жидкости определяется его концентрацией в другой. Это может находить отражение при оценке содержания одних и тех же компонентов, растворенных в шлаке и металле.
Так как окислы, растворяясь в металле, диссоциируют на раскислитель и кислород, то константу реакции раскисления железа или его сплавов раскисли-телем металла. В подавляющем большинстве случаев с повышением температуры в металле увеличивается содержание растворенного окисла МехОу и соответственно повышается содержание кислорода. При снижении температуры происходит обратное явление — растворенный в металле окисел выпадает в виде неметаллических включений. Кроме температурного фактора, растворимость окисла может определяться растворимостью его металлической составляющей, например, ограниченная растворимость кальция в сплавах на железной основе является причиной очень низкого коэффициента распределения и, следовательно, приводит к низкому содержанию кислорода за счет перераспределения его между металлом и шлаком, если в последнем нет других окислов.
Суммируя существующие мнения и факты, касающееся очищения металла от неметаллических включений в процессе обработки его шлаком, приходим к выводу, что рафинирование расплава осуществляется за счет снижения в металле кислорода. Содержание кислорода в металле будет определяться активностью компонентов, участвующих в реакциях раскисления.
При раскислении исходного металла в ванне электродуговой или мартеновской печи устанавливается
какое-то определенное равновесие между элементом-раскислителем, кислородом и активностью окисла, образующегося при раскислении. При последующей обработке металла шлаком, например, при ЭШП на границе раздела шлак - металл реакция раскисления получит дальнейшее развитие, которая определяется составом шлака.
Отсюда и уменьшение рафинирования металла при ЭШП в случае применения шлаков с окислами, идентичными окислам неметаллических включений в исходном металле, например, если металл, раскисленный алюминием, переплавляется на флюсе АНФ-6, степень рафинирования его будет меньше, чем при переплаве на другом флюсе. Естественно, если использовать шлаки с минимальным содержанием МекОу или шлаки, резко сжижающие концентрацию МехОу например, основные шлаки при переплаве металла, раскисленного кремнием, то реакция будет сдвигаться в сторону снижения кислорода в металле.
Таким образом, включения, обнаруживаемые в электрошлаковом металле, выделяются из расплава в процессе охлаждения и кристаллизации жидкой металлической ванны. Загрязненность металла неметаллическими включениями определяется содержанием кислорода в металле, которое, в свою очередь, зависит от процессов взаимодействия металла и шлака. Состав неметаллических включений в электрошлаковом металле определяется составом окис-ных составляющих шлака, используемого для переплава.
Библиографический список
1. Б.И. Медовар и др. О механизме трансформации и удаления неметаллических включений в процессе ЭШП электродов большого сечения. / Рафинирующие переплавы. Вып. 2. — Киев: Наукова думка, 1975. - С. 73-81.
2. Воинов С.Г. и др. Рафинирование стали синтетическими шлаками. — М.: Металлургиздат, 1961.
ЖЕРЕБЦОВ Сергей Николаевич, генеральный директор ЗАО «Омский завод специальных изделий».
Опыт веков
Все наше достоинство — в способности мыслить. Только мысль возносит нас, а не пространство и время, в которых мы — ничто. Постараемся же мыслить достойно — в этом основа нравственности.
Б. Паскаль
