Гази в сталевому злитку

Практика металургійного виробництва показує, що ряд хімічних елементів негативно впливає на технологічні та службові характеристики металу. До таких елементів входять гази водень, азот і кисень. Джерела їхнього надходження у сталь різноманітні.

Феросплави, що використовуються як розкислювачі і легуючі присадки, зазвичай вносять мало водню (соті або десяті частки кубічного сантиметра водню на 100 г металу). Однак з урахуванням того факту, що після введення розкислювачів і багатьох легуючих компонентів припиняється окислення вуглецю (ванна перестає кипіти) і відбувається безперервне надходження водню з пічної атмосфери та шлаку, роль феросплавів як джерела водню є дуже значною.

Розчинність водню в сталі залежить від ряду факторів, у тому числі температури, тиску та хімічного складу. У загальному вигляді значення розчинності водню в рідкому залозі (1535-2000 про С) при атмосферному тиску може бути вираженим рівнянням:

де Т – температура розплаву, До.

А для обчислення розчинності водню в залізі (910-1400 про С) при атмосферному тиску можна використовувати наступний вираз:

У процесі затвердіння розчинність водню в залозі та сталі змінюється стрибкоподібно. Так, якщо в твердому залізі при температурі 1535 про С розчиняється 7,85см 3 /100г водню, то в рідкому в тих же умовах - 23,4см 3 /100г. Тому при кристалізації деяка кількість водню може виділитися з металу як бульбашок.

Більшість водню, що міститься в залізі і сталі при низьких температурах (нижче 100-120 про С), знаходиться в мікропорах металу в газоподібному стані. Під мікропорами розуміють будь-якінедосконалості кристалічних ґрат (щілини, порожнечі, тріщини Гріффітса, скупчення дислокацій), що мають значно більші розміри, ніж елементарні кристалічні ґрати. Частина водню сталі стали як розчину застосування. Газоподібний водень у сталі може взаємодіяти з домішками металу (киснем, вуглецем) і перебувати у мікропустотах як Н2О чи вуглеводнів.

Не менший інтерес представляє вплив водню на механічні властивості сталі, що поєднується загальним терміном «водневе крихтіння», тобто зниження пластичних властивостей металу. При певному вмісті водню відзначається зникнення межі плинності, а й у високоміцних сталей - зниження межі міцності.

Вплив водню виявляється вже за 1,5-2,0 ppm, і з подальшим підвищенням його концентрації механічні властивості стали погіршуються. При значеннях 5-10 ppm пластичність металу мінімальна та не змінюється при подальшому підвищенні вмісту водню.

Для попередження шкідливого впливу водню сталь піддають термічній обробці, а охолодження злитків здійснюють повільно спеціальних пристроях. Однак, при вкрай високій собівартості такої обробки її ефективність не завжди задовольняє умовам сучасного машинобудівного виробництва. Найбільш доцільним слід визнати видалення водню з розплаву при спеціальній позапічній обробці вакуумуванням.

При охолодженні рідкого металу та подальшому його затвердінні, внаслідок зниження розчинності азоту, у злитку утворюються пересичені азотом обсяги сталі, внаслідок чого починається його виділення. При кристалізації зливка незв'язаний азот ліквідує, зосереджуючись у центрі та головній його частині. У пересичених обсягах азот формує нітриди, стійкі привисоких та низьких температурах. Тверда дрібно-дисперсна фаза нітридів і карбідів, що випала, викликає напруженість кристалічної решітки, що обумовлює ефект старіння.

Зміна властивостей залізовуглецевих сплавів під впливом азоту багато в чому визначається формою його існування у металі. Азот може утворювати однорідні тверді розчини застосування, неоднорідно розподіляючись у ньому, концентруючись у дислокацій та інших дефектів кристалічної структури, і навіть виділяючись з металів як самостійних фаз (нітридів).

Одним із проявів впливу азоту на властивості сталі є деформаційне старіння, під яким мають на увазі зміну комплексу механічних властивостей після холодної пластичної деформації та подальшої витримки при кімнатній та підвищеній температурах (250 о С). Це явище характеризується явно вираженою межею плинності та її поверненням після деформаційного старіння, підвищенням меж плинності та міцності, твердості, зниженням пластичності властивостей при статичних випробуваннях та критичній температурі тендітного руйнування при випробуванні на удар.

Приватним випадком деформаційного старіння є синеломкость (зниження пластичності, підвищення меж текучості та міцності металу при його розтягуванні зі звичайною швидкістю в інтервалі 150-300 о С). Азот погіршує і деякі інші властивості сталі, а саме: знижує опірність корозії під напругою та магнітну проникність, збільшує електроопір та здатність до загартування.

Сучасні вимоги до вмісту азоту в якісних сталях загалом зумовлюють необхідність зниження концентрації після закінчення плавки. При цьому для зниження вмісту азоту використовуються методи позапічної обробки, а також заходи щодо запобіганняпопадання азоту в розплав у процесі технологічного процесу. Зниженню вмісту азоту сприяє також введення в розплав елементів, що зменшують його розчинність у сталі (наприклад: бор, алюміній, кремній, вуглець та ін.)

Практично всю сталь (за винятком методів спеціальної металургії) виробляють за допомогою окислювальних процесів, що зумовлює провідну роль кисню.

При кристалізації та охолодженні сталей (внаслідок ліквації кисню та у зв'язку зі зміною констант рівноваги процесів взаємодії кисню з розчиненими у сталі елементами) формуються небажані включення, що виділяються у вигляді газоподібної, рідкої або твердої фази. При цьому у злитку утворюються бульбашки та пори, а також зони надмірного забруднення металу оксидними включеннями.

Розчинність кисню в рідкому залозі описується наступним виразом:

Слід зазначити, що з менших концентраціях кисню його виділення особливу фазу починається пізніше.

У спокійній сталі практично весь розчинений у рідкому обсязі кисень пов'язаний з добавками розкислювачів. В цьому випадку при атмосферному тиску реакція між вуглецем та киснем, розчиненими в металі, не протікає.

Виділення кисню у вигляді окремої фази при температурах кування є причиною поганої деформованості сталі в гарячому стані та її зниженою пластичністю, а також сприяє “старінню” сталі при її службі.

З метою видалення кисню зі сталі виробляють її розкислення, у процесі якого розчинений кисень зв'язують у міцні оксиди, потім віддаляються з розплаву.

При вакуумній обробці стали ефективним розкислювачем є вуглець. В результаті бульбашки окису вуглецю повністю видаляються з металу, не утворюючи твердихоксидних включень