Синтетический чугун.

В.С.Шумихин, П.П.Лузан, М.В.Жельнис.

Наукова думка, 1971 г.

Физико-химическая сущность процесса науглероживания. Науглероживание расплавленного металла —один из важнейших процессовплавки синтетического чугуна, которому посвящено большое число экспериментальных исследований. Особенно подробно изучалось науглероживание при ваграночной плавке, для условий протекания капли жидкого металла через слой раскаленного кокса, с привлечением теории конвективной диффузии. В индукционных печах частицы науглероживателя окружены жидким расплавом, который интенсивно перемешивается. В этом случае расплав служит источником тепла для частиц науглероживателя. Экспериментальные данные свидетельствуют о значительном изменении количественных зависимостей процессанауглероживания в индукционных печах промышленной частоты по сравнению с высокочастотными печами и тем более с вагранками, хотя принципиальное влияние основных факторов, естественно, сохраняется. Было обнаружено, что в ваграночном процессеколебания содержания углерода в выплавляемом чугуне происходят более плавно, чем в низкочастотной печи, что объясняется гораздо большей вариативностью условийплавки синтетического чугуна. Поэтому невнимательное отношение к проведению технологической операциинауглероживания при выплавке синтетического чугуна обычно обусловливает получение некондиционного металла.

Растворение графита в жидком железе по сложившимся представлениям происходит в несколько этапов: отрыв плоских пакетовграфита от поверхности твердой частицы и растворение пакетов, диффузияуглерода в расплаве [3, 8, 64]. Полагают, что растворениеграфита в железе осуществляется путем внедрения атомов железа в межбазисные плоскости. Дальнейшее растворениеграфита зависит от температуры и времени.

Результаты исследования структурно-чувствительны: свойств железоуглеродистых сплавов показали, что при растворенииуглерода развиваются два противоположны

процесса: выделение микрогруппировок углерода и увеличение межатомных расстояний [9—14]. Это подтверждается непрерывным увеличением электросопротивления расплавов, изменением плотности, магнитной   восприимчивости     и вязкости по мере увеличения концентрации углерода.      Политермы плотностисплавов железо—углерод имеют точку перегиба, положение которой изменяется с концентрациейуглерода (рис. 24 [15]). Очевидно, этот факт характеризует влияние углерода на температуруперехода от одного типа структуры ближнего порядка  к другому . Имеется в виду не фазовый переход, а изменение упаковки существующих группировок, находящихся в динамическом равновесии со средой. Наличие гистерезисавязкости и электросопротивления в сплавах типа металл-углерод также свидетельствует о наличии в них микрогруппировок углерода [30, 52—54]. Различают динамическую микронеоднородность — присутствие короткоживущих, но постоянно имеющихся группировок атомов, время жизни которых соизмеримо с временем релаксации, и коллоидную микронеоднородность — когда диспергированная фаза существует достаточно длительное время, постепенно растворяясь в дисперсионной среде.

Результаты электронномикроскопических исследований показали, что размер участков микрогетерогенности в твердых растворах равен 10-6 - 10-7 см. На этом основании железоуглеродистые расплавы относят к системам с коллоидной  микронеоднородностью. Согласно другим представлениям в расплаве могут находиться как отдельные ионы углерода, так и плоские макромолекулы (пинакоиды). Однако пинакоиды не являются обособленной фазой — они отдают четвертый валентный электрон в электронный газ металлического расплава, образуя таким образом макроионы. В результате получается истинный, а не коллоидный раствор [27]. Эти точки зрения не противоречат фактам. Для расплавовжелезо — углерод эффекты, связанные с появлением неоднородности, наблюдаются при концентрацииуглерода свыше 2%; для системыжелезо — углерод — Кремний (2% кремния) они имеют место уже при содержаниях углерода свыше 1,5%. Состояниеуглерода в расплаве сильно зависит от степениперегревачугуна над линией ликвидуса. Предполагаются также области сосуществования различных агрегатныхсостоянийуглерода в жидких чугунах. В расплавах, имеющих температуру на 100° С и выше температурыликвидусауглерод находится в растворе и частично в форме полиатомарного состояния. Ближе к температуреликвидуса возможны дисперсные образования графита из гексагональных колеи (пинакоиды).

Превращение турбостратного графита в трехмерные кристаллыграфита начинается, как показал рентгеновский анализ, при достижении -среднего диаметра образования 100 А. Следовательно, при 1300—1400° С в жидкости могут находиться частицы размером того же порядка.

Графитовые образования (10—100 А), возникающие над линиейликвидуса в доэвтектических чугунах, обладают развитой поверхностью, а свойства такой системы (жидкость + дисперсные образования) зависят от свойств и размеров входящих в нее поверхностей раздела. Известно, что магнитная восприимчивость, электропроводность, плотность, акустические свойстварасплава и т. л. зависят от степени его перегрева над линией ликвидуса. Пинакоиды графита являются устойчивыми образованиями. Выдержка при 1700° С не устраняет полностью микронеодпородность расплава. Таким образом, микрогетерогенность расплавовчугуна имеет «наследственное» происхождение, связанное с неполным растворениемуглерода в процессе плавки. На основании экспериментальных данных можно предположить, что дисперсные выделенияграфита начинаются выше температуры ликвидуса.