Влияние наводороживания расплава доменного чугуна на его коэффициент линейного расширения

История чугуна насчитывает много веков, но до сих пор чугун считается материалом с низкими механическими свойствами. Низкие механические свойства чугуна связывают с наличием в структуре выделений так называемого графита. До сих пор природа образования графитных включений в чугуне не выяснена.

Из учебников по материаловедению известно, что чугуном называют сплав железа с углеродом, в котором углерода содержится более 2,14 %. В соответствии с компилятивной диаграммой состоянии Хансена и Андер-ко чугуны подразделяются на белые и серые.

История диаграммы состояния железо– углерод насыщена борьбой мнений большого количества ученых-исследователей, данные которых были приведены в единую систему польским ученым Е. Тыркелем в 1968 г. [1]. В своей работе Е. Тыркель отмечает: «Диаграмма состояния железо–углерод, несмотря на её более чем 60-летнее существование и на посвященное ей большое число исследований, установлена еще не совсем точно. Исследования этой диаграммы продолжаются и по-прежнему необходимы» [1, 2].

В настоящее время происходит смена взглядов на природу графитных включений в чугуне. Академик В.К. Афанасьев в своей монографии «Прогрессивные способы повышения свойств доменного чугуна» отмечает: «В настоящее время, имея многочисленные сведения о влиянии водорода, азота и кислорода на свойства различных материалов и сплавов, следует считать систему на основе железа пятерной, то есть Fе–H–N–O–С. Это является необходимым изменением образа мышления, без него еще долгое время будут затрачиваться материальные и людские ресурсы на создание продукции низкого качества или весьма дорогостоящей, оказывающей катастрофически вредное влияние на окружающую среду» [3].

Принимая во внимание, что газы (водород, азот и кислород) присутствуют повсеместно, в том числе и в сплавах, была проведена серия экспериментов по обработке расплава доменного чугуна газами [4–7].

В качестве примера использовали доменный чугун следующего химического состава, вес. %: C – 4,3; Si – 0,6; Mn – 0,75; P – 0,20; S – 0,016; Ti – 0,02; Cr – 0,06; Pb – 0,002; железо – остальное.

Особое внимание было уделено обработке расплава с помощью водорода. На основании экспериментальных данных об изменении коэффициента линейного расширения доменного чугуна после различных видов обработок было сделано предположение, что аномалия линейного расширения доменного чугуна связана с присутствием водорода [8–12].

В последнее время проведено большое количество исследований по изучению влияния различных способов обработки расплава на структуру и свойства чугуна. Проведенные исследования показали, что продувка расплава азотом, водяным паром, азотом и водяным паром может изменить количество графита в структуре чугуна, а значит газы водород, азот и кислород оказывают большое влияния на структуру чугуна, получаемую при кристаллизации [13–16].

Для подтверждения этого предположения проводилось наводороживание расплава двумя способами.

Для изучения влияния наводороживания на линейное расширение чугуна проводилась обработка, заключавшаяся в том, что на поверхность расплава при 1400 и 1200 °С укладывался влажный асбест. Результаты данной обработки приведены в табл. 1 и на рис. 1.

Здесь следует отметить несколько осо- бенностей. Прежде всего обращает на себя внимание увеличение значений коэффициента при температуре 100 °С до 8,6·10–6 град–1 для обработки расплава тремя асбестовыми тампонами по сравнению с исходным. Причем повышение температуры обработки расплава до 1400 °С не приводит к такому значительному увеличению коэффициента, как наводо-роживание при 1200 °С. В интервале температур 100–150 °С наблюдается снижение КЛР до 6,5·10–6 град–1.

В среднетемпературном интервале испытания 150–300 °С наблюдается резкое аномальное увеличение значений линейного расширения до 16,1·10–6 град–1. Следует отметить, что по сравнению с вышеизложенными обработками расплава обработка влажным асбестом сдвигает среднетемпературную аномалию в сторону больших температур – 350 °С.

В интервале испытаний 350–400 °С происходит резкое уменьшение коэффициента линейного расширения; минимальное значение КЛР при 400 °С соответствует 9,6·10–6 град–1 после обработки расплава тремя тампонами асбеста. При дальнейшем увеличении температуры испытания до 450 °С происходит некоторое увеличение КЛР.

Известно, что с помощью обработки шихты можно оказывать большое влияние на технологические и эксплуатационные свойства сплавов. Предварительная обработка шихтовых материалов предусматривает косвенное воздействие на расплав, несмотря на это можно эффективно влиять на линейное расширение.

В данной работе был использован метод наводороживания, заключавшийся в использовании шихты, подвергавшейся электролитической обработке в 20%-ном растворе серной кислоты в течение 1, 2, 3, 4 и 5 ч при плотности тока 0,3 А/дм3. Кристаллизация полученного металла проводилась в алюминиевом кокиле. Полученные результаты сведены в табл. 2 и отражены на рис. 2.

Электролитическое наводороживание приводит к ярко выраженному аномальному изменению КЛР во всем интервале температур испытания.

Следует отметить значительное увеличение КЛР в интервале 50–100 °С до 9,1·10–6 град–1 в случае электролитического наводорожива-ния шихты в течение 3 ч, по сравнению с чугуном без обработки расплава в интервале

Таблица 1

Вид обработки расплава	t обр , °С	Кол-во тампонов	Коэффициент линейного расширения α·10–6, град–1 при температуре, °С
			50	100	150	200	250	300	350	400	450
Без обработки	—	—	7,01	7,34	7,44	11,12	13,01	13,91	14,42	14,93	14,94
Влажным асбестом	1200	3	7,21	8,60	6,51	9,90	13,73	15,51	16,12	9,61	10,40
	1200	8	7,44	8,35	6,80	9,92	14,31	15,33	15,90	12,32	13,11
	1400	8	7,24	7,91	7,05	10,10	13,72	15,51	16,12	10,91	12,12

Влияние обработки расплава влажным асбестом на линейное расширение доменного чугуна

Рис. 1. Влияние обработки расплава влажным асбестом на линейное расширение доменного чугуна: 1 – без обработки; 2 – 3 тампона при 1200 °С; 3 – 8 тампонов при 1200 °С;

4 – 8 тампонов при 1400 °С

Таблица 2

Вид обработки	τ обр , ч	Коэффициент линейного расширения α·10–6, град–1 при температуре, °С
		50	100	150	200	250	300	350	400	450
Без обработки	—	7,01	7,34	7,44	11,12	13,01	13,91	14,42	14,93	14,94
Электролитическое наводороживание шихты	1	7,41	7,92	6,71	10,61	15,12	16,30	13,31	11,70	12,12
	2	7,03	8,53	7,22	11,42	16,31	15,32	10,80	11,74	11,83
	3	7,04	9,14	8,93	10,12	14,54	18,01	15,32	9,93	11,12
	4	6,82	7,52	6,22	10,21	13,53	14,63	14,23	14,42	14,73
	5	7,61	8,13	7,44	10,83	16,51	17,32	10,50	9,71	10,91

Влияние времени электролитического наводороживания шихты в 20 % H 2 SO 4 (5 % от массы расплава) на линейное расширение доменного чугуна

Рис. 2. Влияние времени электролитического наводороживания шихты в 20%-ной серной кислоте (5 % от массы расплава) на линейное расширение доменного чугуна: 1 – без обработки; 2 – 1 ч; 3 – 2 ч; 4 – 3 ч; 5 – 4 ч; 6 – 5 ч температур 100–150 °С наблюдается снижение коэффициента линейного расширения: здесь отмечено его минимальное значение 6,2·10–6 град–1 – электролитическое наводо-роживание шихты в течение 4 ч.

В среднетемпературном интервале испытания 200–300 °С КЛР резко увеличивается; особенно сильно эта аномалия выражена для электролитического наводороживания шихты в течение 3 ч (α = 18,0·10–6 град–1).

В высокотемпературном интервале испытания 300–400 °С происходит снижение коэффициента линейного расширения до 9,7·10–6 град–1 после наводороживания шихты в течение 5 ч. Причем, чем продолжительнее процесс наводороживания, тем на большую величину снижается КЛР в данном темпера- турном интервале. Следует отметить, что на-водороживание шихты в течение 4 ч практически не изменяет КЛР в средне- и высокотемпературном интервале испытания по сравнению с исходным. Электролитическое наво-дороживание в течение 2 ч сдвигает среднетемпературную аномалию в сторону меньших температур – 250 °С. Незначительное увеличение коэффициента линейного расширения наблюдается в интервале 400–450 °С.

При изучении микроструктуры установлено, что такая обработка чугунного расплава приводит к образованию ледебуритной структуры (рис. 3 и 4).

Таким образом, наводороживание расплава оказывает значительное влияние на коэффициент линейного расширения чугуна.

а)

в)

Рис. 3. Микроструктура чугуна без обработки расплава (а), после обработки расплава влажным асбестом:

3 тампона при 1200 °С (б); 8 тампонов при 1200 °С (в); 8 тампонов при 1400 °С (г); х 300

г)

а)

б)

Рис. 4. Микроструктура чугуна без обработки расплава (а), после введения электролитически наводороженной шихты в течение 1 ч (б); 2 ч (в); х 300

в)

Отмечена ярко выраженная низкотемпературная аномалия изменения КЛР, заключающаяся в увеличении коэффициента в интервале 50–100 °С и снижении его в интервале 100–150 °С по сравнению с чугуном без обработки расплава. В среднетемпературном интервале испытания 200–350 °С наблюдается резкое аномальное увеличение значений коэффициента линейного расширения. Следует отметить, что по сравнению с вышеизложенными обработками обработка влажным асбестом сдвигает среднетемпературную аномалию в сторону больших температур – 350 °С.

В высокотемпературном интервале испытания 300–400 °С происходит резкое снижение коэффициента линейного расширения. Электролитическое наводороживание приво- дит к яркому выражению аномального изменения КЛР во всем интервале температур испытания. Следует отметить, что электролитическое наводороживание шихты в течение 4 ч практически не изменяет КЛР в средне- и высокотемпературном интервале испытания по сравнению с исходным. Электролитическое наводороживание в течение 2 ч сдвигает среднетемпературную аномалию в сторону меньших температур – 250 °С. В интервале 400–450 °С коэффициент линейного расширения несколько повышается.

В табл. 3 и на рис. 5 приведены результаты изучения КЛР при испытаниях до 700 °С. Видно, что оба приема обработки расплава снижают КЛР чугуна при температурах 50–200 °С и создают высокотемпературные и

Таблица 3

Влияние обработки расплава на линейное расширение доменного чугуна

Режим обработки	Коэффициент линейного расширения α·10–6, град–1 при темпе											ратуре, °С
	50	100	150	200	250	300	350	400	450	500	550	600	650	700
Без обработки	7,93	9,41	9,92	10,88	11,65	12,60	12,89	13,14	13,68	13,37	13,15	13,34	14,62	23,02
Укладка 8 влажных асбестовых тампонов на зеркало металла	6,81	7,12	7,63	9,01	13,01	14,13	14,52	14,91	15,01	11,73	9,72	11,52	26,82	100,0
Применение 5 % электролитически наво-дороженной шихты в 20 % H 2 SO 4 , τ = 2 ч	6,52	8,13	7,24	8,64	14,52	18,55	15,23	9,64	10,12	12,43	14,01	14,61	15,72	14,22
СЧ20	7,92	9,43	9,93	10,81	11,62	12,63	12,91	13,12	13,68	13,41	13,23	13,31	16,42	23,04
АЧВ-1	8,42	9,71	10,81	11,63	12,01	9,92	1,81	12,03	13,24	13,45	13,91	13,32	13,83	14,54
Р6М5 деформированная	8,76	10,51	11,21	11,97	12,36	12,95	13,12	13,85	14,34	13,76	13,48	12,90	12,83	12,65

Рис. 5. Влияние обработки расплава на линейное расширение доменного чугуна: 1 – без обработки; 2 – 8 влажных тампонов на зеркало расплава; 3 – применение 5 % наводороженной шихты в 20 % H 2 SO 4 , τ = 2 ч; 4 – Р6М5

низкотемпературные аномалии. Обработка расплава, которая заключается в укладке влажных асбестовых тампонов на зеркало металла, приводит к появлению самых высоких значений КЛР при 700 °С (α = 100·10–6 град–1).

Таким образом, выбранные режимы обработки расплава доменного чугуна способствуют снижению КЛР в низкотемпературном интервале испытаний по сравнению с серым чугуном СЧ20, антифрикционным чугуном АЧВ-1 и деформированной сталью Р6М5, а наводороживание расплава укладкой влажного асбеста на зеркало значительно снижает КЛР обработанного чугуна в высокотемпературном интервале испытаний. Правильный выбор режимов наводороживания приводит к измельчению, устранению графитных вклю- чений. Это свидетельствует о том, что предложенные виды обработки расплава способны влиять на механические и эксплуатационные свойства доменного чугуна.