7.1.2. Дегазация металла

Одним из назначений процесса вакуумирования стали является снижение содержания в ней водорода и азота, которые оказывают существенное влияние на физико-механические свойства металла. Растворимость водорода в железе возрастает при повышении температуры и скачкообразно изменяется при фазовых превращениях, рис. 7.1.

Рис. 7.1. – Растворимость водорода в железе.

По ходу плавки содержание водорода в металле зависит от парциального давления Н2О над ванной: [H] = K′. В жидком железе водород находится в виде протона Н +. Скорость миграции таких малых частиц в расплавленном железе очень велика. В твердом состоянии α – Fe более проницаемо для водорода, чем γ –Fe, но растворимость водорода выше в γ- Fe, имеющего большие поры в кристаллической решетке. Содержащиеся в металле элементы повышают растворимость водорода ( неодим, цирконий, церий, торий, лантан, титан, ванадий ) или понижают ( углерод, кремний, алюминий) в зависимости от силы связи с железом и характера влияния на стабилизацию той или иной кристаллической решетки железа.

При содержании водорода более 0,0005% создаются локальные напряжения и снижаются пластические свойства, что приводит к возникновению флокенов в прокате и поковках при содержании углерода более 0,25% и в легированных сталях мартенситного и перлито-мартенситного классов. Кроме того повышенное содержание водорода в прокате из легированных сталей приводит к образованию волосовидных трещин и повышению центральной пористости, а в высоколегированных хромистых и кремнистых сталях вызывает рослость слитков, образование свищей и газовых пузырей.

Предотвратить образование флокенов удается при замедленном охлаждении или длительном изотермическом обжиге после горячей пластической деформации. Но более эффективным и экономичным, является вакуумирование стали. При содержании водорода ниже 0,0002% в легированной и ниже 0,0003% в углеродистой стали по всему сечению сталь становится нечувствительной к образованию флокенов даже при охлаждении на воздухе.

Экспериментальные данные о растворимости азота в железе представлены на рис. 7.2., из которого следует:

1. растворимость азота в α - и δ - железе при повышении температуры возрастает, а в γ-железе – понижается в связи с понижением прочности нитрида Fe 4N;

2. растворимость азота при фазовых превращениях резко изменяется.

По влиянию примесных элементов на растворимость азота в жидком железе они делятся на две группы:

Рис. 7.2. – Растворимость азота в железе.

1. элементы, образующие прочные нитриды (ванадий, ниобий, лантан, церий, титан, алюминий) повышают растворимость азота в железе, увеличивают растворимость азота также хром, марганец и молибден, не образующие прочных нитридов, но они обладают большим сродством к азоту, чем к железу;

2. снижают растворимость азота в железе углерод, никель, медь и фосфор не образующие нитридов, а также кремний, имеющий большее сродство к железу, чем к азоту.

При быстром охлаждении из-за скачкообразной растворимости во время фазовых превращений азот, как и водород, не успевает выделиться, и раствор становится пересыщенным. Процесс выделения избыточного азота протекает во время эксплуатации изделий, что снижает пластические свойства металла, и получило название старение металла. Размеры частиц азота в металле значительно больше, чем водорода, поэтому коэффициент диффузии его на два порядка ниже, чем водорода, кроме того на процессы растворения и удаления азота существенное влияние оказывают поверхностно активные кислород и сера, которые снижают скорость перехода азота через границу раздела фаз.

Молекулярный азот – химически малоактивен, так как большая прочность его молекул обуславливает высокую энергию активацию реакций, протекающих с участием азота. Энергия диссоциации молекул азота очень велика и составляет 945 кДж/моль. Поэтому термическая диссоциация азота заметна только при очень высоких температурах. Так при 3000˚С диссоциирует лишь около 0,1% молекул азота. Насыщение металла атомарным азотом протекает с высокими скоростями. Поэтому в локальных зонах с повышенной температурой массоперенос азота существенно повышается. Это относится к зоне горения дуги, у кислородной фурмы и пр.

Нейтрализуют вредное влияние азота, образуя прочные нитриды алюминия, титана, циркония, ванадия и др. элементов. Однако эти элементы обладают большим сродством к кислороду, которого обычно в стали содержится примерно в 5 раз больше, чем азота. Поэтому металл загрязняется оксидными неметаллическими включениями, снижающими качество стали. В связи с этим проблема устранения вредного влияния азота на качество стали до появления вакуумной обработки, оставалась трудноразрешимой задачей.

Глубокое раскисление металла углеродом в процессе вакуумирования, предшествующее введению нитридообразующих элементов, позволяет при низком содержании оксидных неметаллических включений полностью связать азот в стойкие нитриды и вывести его из твердого раствора. В этом случае сталь упрочняется карбонитридами и нитридами при сохранении высоких пластических свойств, и азот становится полезной примесью.

Вакуумная дегазация основана на уменьшении парциального давления водорода и азота в газовой фазе. Расчеты показывают, что при 1600˚С условиям равновесия с металлом, содержащим 0,0002% водорода и 0,003% азота (которые почти не снижают качество стали) соответствует газовая фаза с парциальным давлением водорода и азота на уровне 5кПа.

При вакуумировании снижение содержания водорода и азота в стали обеспечивается в результате следующих процессов:

- десорбции водорода и азота с поверхности пузырей СО (или аргона) внутрь и выноса из ванны с этими пузырьками;

- десорбции газов с открытой (открывающейся при перемешивании) поверхности ванны, к которой их атомы перемещаются в результате конвекции или диффузии;

- выделение пузырей водорода и азота, зарождающихся в ванне на поверхности футеровки или неметаллических включений в случае высоких содержаний газов и наличии благоприятных условий;

- всплывания гидридных и нитридных неметаллических включений при наличии в расплаве соответствующих элементов.

Кинетика удаления водорода и азота при вакуумировании стали определяется условиями протекания следующих основных стадий процесса:

- перенос атомов водорода и азота к поверхности раздела металл-газ;

- диффузия через тонкий не перемешиваемый диффузионный слой расплава;

- адсорбция атомов газа в поверхностном слое;

- реакция молизации;

- десорбция образовавшихся молекул в газовую фазу;

- отвод молекул газа от поверхности.

Результирующая скорость дегазации пропорциональна интенсивности перемешивания ванны и удельной поверхности металл-газ. Большую роль в ускорении дегазации при вакуумной обработке играет одновременное выделение пузырей СО, которые являются дополнительными маленькими вакуумными камерами (первоначальное парциальное давление водорода и азота в них равны нулю) и интенсивно перемешивают металл.