3.7. Газы и неметаллические включения в чугуне и их влияние на качество отливок.

3.7.1 Источники газов и основные закономерности их растворения в чугуне

В чугуне могут присутствовать как простые (водород, кислород и азот), так и сложные (СО, СО₂, C_mН_n и др.) газы. Источниками их являются:

- шихтовые и шлакообразующие материалы;

- продукты частичного или полного сгорания топлива (кокса и природного газа);

- футеровка печей и литейных ковшей;

- атмосфера над расплавом в плавильном агрегате и ковше;

- внешняя среда вокруг струи жидкого чугуна при выпуске из печи и разливке в литейные формы,

- а также газовая среда литейных форм.

Во всех указанных материалах и средах содержатся в разных сочетаниях воздух, состоящий из свободных азота и кислорода, водяной пар, водород, CO, CO₂ и углеводороды. А в зоне контакта чугуна с литейной формой, кроме того, могут присутствовать различные промежуточные и конечные продукты деструкции и окисления компонентов формовочной и стержневой смеси. Все эти газы c той или иной полнотой и интенсивностью взаимодействуют с чугуном, как в жидком состоянии, так и в процессе затвердевания и последующего охлаждения. Следствием такого взаимодействия является сначала поверхностное, а затем объемное насыщение жидкого чугуна газами. Процесс этот протекает путем диссоциации молекул на атомы. Поэтому в жидком чугуне в растворенном состоянии находятся элементарные составляющие газов - водород, кислород и азот в виде атомов или ионов. Но растворимость их с понижением температуры падает. При этом чугун, будучи сплавом на основе железа, имеет аналогичные ему зависимости растворимости водорода и азота от температуры (Рис. 3.7.1 и 3.7.2). Ввиду снижения растворимости при остывании расплава, особенно при затвердевании чугуна, растворенные при температурах плавки газы начинают выделяться в свободном состоянии или образуют химические соединения с компонентами чугуна.

Рис. 3.7.1. Растворимость водорода в жидком железе

Рис. 3.7.2. Растворимость азота в жидком железе

Таким образом, в чугуне газы могут находиться в трех состояниях: растворенном, химически связанном и свободном. В зависимости от формы состояния влияние их на структуру и свойства чугуна становится различным. Растворенная часть газа, в зависимости от его поверхностной активности, оказывает как положительное, так и отрицательное воздействие на структуру (стабильность карбидов, количество и дисперсность перлита) и свойства (жидкотекучесть, склонность к отбелу) чугуна. Доля газа, находящегося в растворенном состоянии, резко снижается при затвердевании чугуна. При этом избыточная часть газа переходит в другие формы состояния – в химически связанное и свободное.

Трансформация части растворенного газа в химически связанную форму возможна, если в чугуне содержатся компоненты, имеющие высокое сродство к водороду, кислороду и азоту. Чугун, прежде всего, содержит различные элементы (Si, Al, Mg, Ca, Ce и др.), которые имеют большое сродство к кислороду. Поэтому кислород в чугуне присутствует в основном в химически связанном состоянии. Химически связанный азот может присутствовать в чугуне при наличии в его составе заметного количества титана и других сильных нитридообразующих элементов. Но в жидком чугуне не содержится компонентов, которые могут при температурах плавки и литья чугуна образовать устойчивые гидриды. Поэтому в жидком и затвердевающем чугуне нет химически связанного водорода. В химически связанном состоянии кислород и азот входят в состав обособленных оксидных и нитридных фаз и присутствуют в чугуне как неметаллические включения. При этом крупные из них всегда оказывают отрицательное влияние на качество чугуна: снижают его литейные и механические свойства, ухудшают обрабатываемость резанием и качество обработанной поверхности отливок. Дисперсные включения практически не оказывают влияния на механические свойства чугуна, но могут выполнять роль готовых подложек для кристаллизации графита. В этом случае они оказывают положительное влияние на чугун, снижая его склонность к отбелу.

В свободном состоянии водород и азот выделяются в чугуне в виде молекул H₂ и N₂. Кислород может присутствовать только в виде СО. Они адсорбируются на поверхности графитных включений и заполняют усадочные полости, но при большом содержании образуют газовые полости в виде раковин и пор.

Процесс взаимодействия жидкого чугуна с газами заключается в их растворении в расплаве и выделении из расплава. Они имеют обратимый характер и протекают по одним и тем же закономерностям. В частности, процесс выделения растворенного газа из жидкого чугуна является многостадийным. Он включает стадии [1]: конвективного переноса атомов растворенного газа к поверхности раздела «металл-газ» (I) и молекулярной диффузии их через пограничный диффузионный слой (II); адсорбции атомов газа в поверхностном адсорбционном слое (III) и химической реакции образования молекул газа из его адсорбированных атомов (IV); десорбции образовавшихся молекул газа с поверхности раздела «газ-металл» (V) и отвода их от поверхности раздела в газовую фазу (VI).

Стадии (I) и (VI) реализуются относительно быстро. Поэтому процесс удаления или растворения газов могут лимитировать стадии молекулярной диффузии (II), химической реакции (IV) или стадии адсорбции (III) и десорбции (V). При этом диффузионные и адсорбционно-десорбционные стадии реализуются как реакции первого порядка, т. е. скорости их протекания имеют линейную зависимость от концентрации растворенного в металле газа. В то же время скорость химической реакции образования молекул газа из его атомов реализуется как реакция второго порядка, т. е. скорость ее протекания пропорциональна квадрату концентрации растворенного газа.

Процесс взаимодействия жидкого чугуна с водородом, согласно экспериментальным данным [2], лимитируется стадией образования молекул водорода из его атомов по реакции: [H] + [H] = {H₂}. Поэтому скорость растворения водорода в жидком чугуне реализуется как реакция второго порядка и имеет квадратичную зависимость от концентрации водорода в расплаве (Рис. 3.7.3):

= [%H]², (3.7.1)

где - константа скорости, %/(с. м²).

Экспериментально установленное при температурах ~1400 ⁰C её значение составляет [2]: 1,3 1/( ).

[H], %

Рис. 3.7.3. Зависимость скорости удаления водорода из жидкого чугуна

от его концентрации в расплаве

Процессы взаимодействия чугуна с азотом и кислородом реализуются как реакции первого порядка [1]. Это обусловлено тем, что атомы азота и кислорода намного больше по размерам, чем атомы водорода. Соответственно, скорости их диффузии на несколько порядков меньше. Поэтому процессы растворения и удаления азота и кислорода лимитируются стадиями их молекулярной диффузии.