Ответы на вопросы № 1-21 к экзамену по дисциплине "Термическая обработка сталей и сплавов" (Вредные примеси сталей и сплавов. Источник теплоты при вакуумно-дуговом переплаве), страница 5

Примеси цветных металлов ухудшают качество металла и при низких температурах. Наличие олова затрудняет холодную прокатку жести. Олово подобно фосфору уменьшает ударную вязкость стали тем больше, чем выше ее прочность. Склонность конструкционной хромистой и хромоникелевой стали к отпускной хрупкости сильно возрастает уже при незначительном содержании этого элемента. Подобно легирующим элементам влияние вредных примесей определяется тем, в какой форме они присутствуют в стали. Почти все они образуют с α-железом ограниченные твердые растворы переменной концентрации. Поскольку содержание вредных примесей в жидкой стали выше, чем их растворимость при низкой температуре, то ее кристаллизация сопровождается образованием первичных и вторичных карбидов, сульфидов, нитридов и оксидов, выделяющихся из γ- и α-растворов.

В большинстве сталей допускают ≤0,30 % Cu. Медь в небольших количествах замедляет коррозию стали на воздухе. Поэтому вводят 0,2–0,4 % Cu в сталь для телеграфных проводов; 0,4–0,6 % Cu – для мостостроения (ГОСТ 6713); 0,1–0,30 % Cu – в другие строительные стали (например, 14Г2АФД).

Но медь довольно опасна в производстве. Её сродство к кислороду меньше, чем у железа. Поэтому, когда при нагреве под прокатку железо образует окалину, медь оттесняется в металл, и ее расплав проникает в сталь по границам зерна. Уже в стали с 0,17 % Cu после горячей деформации при 950–1150 оС находили сетку поверхностных трещин, заполненных медью. Сталь поглощает медь и при соприкосновении с медной окалиной, восстанавливая ее железом до металла. Так, медь кристаллизатора портит поверхность сляба при нарушении режимов непрерывной разливки.

Таким образом, воздействие примесей характеризуется упрочнением стали из-за образования твердого раствора или второй фазы, а также явлением старения. Кроме того, вредные примеси весьма склонны к ликвации и при затвердевании металла распределяются по высоте и сечению слитка неравномерно.

Из вышеизложенного следует, что для достижения наилучших свойств конкретного сплава требуется либо рафинирование, либо оптимальное легирование его примесями

10. Вакуум – эффективное средство рафинирования стали от вредных примесей, поскольку свободная энергия реакций газообразования зависит от давления.

Процессы вакуумной обработки металлов можно разделить на две группы, отличающиеся диапазоном разрежения газовой фазы. Критериями оптимальности при выборе глубины вакуума служат цель рафинирующего процесса и, в некоторой мере, его технологические особенности.

К 1-ой группе (вакуумная дегазация) относятся процессы предусматривающие удаление из расплава газов (преимущественно водорода и кислорода). Это достигается при сравнительно неглубоком вакууме 102–103 Па (1–10 мм рт. ст.). Эффективность вакуумной дегазации, применяющейся в основном для обработки больших масс металла, возрастает при увеличении межфазной поверхности газ-металл. Это достигается не только при вакуумно - углеродном раскислении (ВУР), но и за счет технологических мероприятий: дробления расплава на мелкие капли, продувки его газом, интенсивного перемешивания (например, электромагнитным полем).

Вторую группу (вакуумная дистилляция) составляют процессы, в которых наряду с удалением газов требуется рафинирование металла от вредных цветных примесей. Достижению этой цели благоприятствует создание высокого вакуума. Скорость испарения, возрастая по мере увеличения глубины откачки, достигает максимальных значений при давлении 1–10 Па (10-1–10-2 мм рт. ст.) и далее сохраняется постоянной. Поэтому нижним пределом разряжения при дистилляционном вакуумировании считают 0,5–1,0 Па (5 10-3 – 1 10-2 мм рт. ст.). Поддержание более глубокого вакуума при некоторых рафинирующих процессах обуславливается их энергетическими и технологическими особенностями, например стабильностью параметров электрического дугового разряда или эффективностью работы электронно-лучевых нагревателей.