Измерение величины углеродного эквивалента серого чугуна обработкой электрическим полем

          Выплавка серого чугуна напрямую связана с процессом науглероживания его металлического расплава  и получением рекомендованного химического состава по требованиям технологического процесса. Это позволяет получить серый чугун с заданными прочностными свойствами, определяющими марку чугуна. Одним из основных параметров, измеряемых в процессе выплавки серого чугуна, является величина углеродного эквивалента, которая связана с уровнем прочностных свойств чугуна [1, 2].

        Для выявления зависимости изменения величины углеродного эквивалента расплава серого чугуна под влиянием обработки электрическим полем была использована экспериментальная установка, схема которой представлена на рис. 1.

Рис. 1 Схема экспериментальной установки по обработке электрическим полем расплава серого чугуна

Она состоит из: индукционной печи ИСТ 0,16 – 1; механизма подъёма центрального электрода 2; центрального графитового электрода марки ЭГО диаметром 100 мм 3; графитизированного тигля 4; измерительных приборов ИП; источника пульсирующего напряжения ИПН; датчика прибора термографического анализа Д; прибора термографического анализа ТГА; литейной формы для получения стандартных образцов чугуна для проведения испытаний на механические свойства.

          Определения углеродного эквивалента чугуна С_{экв. =} С + 0.3(Si – P) в зависимости от продолжительности обработки его расплава электрическим полем показали, что с увеличением продолжительности обработки с 1 до 20 минут происходит повышение значений величины углеродного эквивалента чугуна С _экв. (см. рис. 2). Эти результаты свидетельствуют о значительном влиянии электрического поля на процесс растворения углерода расплавом чугуна и повышение его содержания в сером чугуне.

        Рис. 2 Изменение углеродного эквивалента чугуна С_экв. в зависимостиот продолжительности обработки его расплава электрическим полем        

          Одновременно с измерением показаний углеродного эквивалента чугуна С_экв. производили заливку жидкого чугуна в литейную форму для изготовления образцов механических свойств серого чугуна. Данные опытов выявили графическую зависимость прочностных свойств обработанного серого чугуна от продолжительности обработки его расплава электрическим полем, представленную на рис. 3.

Рис. 3 Изменение величины прочности чугуна в зависимости от продолжительности обработки его расплава электрическим полем

      Эта зависимость показала снижение прочностных свойств чугуна при увеличении времени обработки электрическим полем, что можно объяснить ростом содержания углерода в жидком чугуне и повышением величины углеродного эквивалента серого чугуна. Это вызывает изменения в структуре чугуна, связанные с ростом длины включений пластинчатого графита, который является концентраторами напряжений в металлической матрице серого чугуна [3].

           При сопоставлении данных экспериментов прослеживается зависимость значений прочностных свойств от величины углеродного эквивалента серого чугуна (см. рис. 4). 

Рис. 4 Изменение величины прочности чугуна в зависимости от   значения углеродного эквивалента при обработке электрическим полем

Она показала, что при повышении содержания углерода в жидком чугуне, за счёт процесса растворения  углерода центрального графитового электрода 3 и усвоение углерода из графитизированного тигля 4 (см. рис. 1), происходит увеличение значений углеродного эквивалента чугуна С_экв..

          При изменении времени обработки электрическим полем от 1 до 20 минут наблюдается снижение прочности Ϭ_В и твёрдости НВ чугуна, что объясняется ростом среднего размера графитовых включений (см. табл.).

Таблица. Изменения прочностных свойств, твёрдости, среднего размера графитовых включений и величины степени переохлаждения серого чугуна обработанного электрическим полем

          Величины степени переохлаждения определяли по кривым охлаждения образцов чугуна заливаемых в датчик Д прибора термографического анализа ТГА (см. рис. 1). Отклонения значений кривой от фактических величин соответствующих началу процесса кристаллизации сплава, свидетельствуют о существенном воздействии электрического поля на процесс графитизации серого чугуна. Оно происходит при повышении значений углеродного эквивалента чугуна за счёт растворения жидким чугуном углерода (см. рис. 2), что влияет на процесс увеличения размера пластинчатых включений графита в чугуне (см. табл.).

        Изменения в структуре серого чугуна и его механических свойствах можно объяснить протеканием ускорением  процесса растворения углерода из центрального электрода и тигля под влиянием электрического поля. Процесс растворения ускоряется от воздействия конвективных потоков, которые возникают при выделении джоулева тепла при наложении на расплав чугуна электрического поля. Кроме этого, происходит возникновение двойного электрического слоя на границе раздела твёрдых и жидких фаз [4], что влияет на интенсивность протекания гетерогенных процессов в расплаве серого чугуна. Изменение содержание углерода в чугуне непосредственно влияет на процесс графитизации чугуна и на формирование размеров графитовых включений, определяющих уровень прочностных свойств в чугунах [5].

         Таким образом, данный способ при использовании обработки металлического расплава электрическим полем позволяет выплавлять серый чугун, у которого можно направленно изменять величину углеродного эквивалента. Это даёт возможность получать определённое значение прочностных свойств у чугуна и, следовательно, его марку, что сделает стабильным и гибким сам технологический процесс. Такой технологический процесс также позволит получать серый чугун с заданными прочностными свойствам, использовав при его выплавке шихту на основе стального лома, что может существенно снизить себестоимость чугунных отливок.

          ЛИТЕРАТУРА

1.Гиршович Н.Г. Кристаллизация и свойства чугуна в отливках. – М.,  «Машиностроение», 1966. 562 с.

2.Справочник по чугунному литью. Под ред. Гиршовича Н.Г.- Л., «Машиностроение», 1978. 758 с.

3.Гуляев А.П. Металловедение.- М., «Металлургия», 1978. 647 с.

4. Ершов Г.С., Черняков В.А. Строение и свойства жидких и твёрдых металлов. – М.: «Металлургия», 1978. – 248 с.

5. Миненко Г.Н. Применение метода электрофизической обработки для получения модифицированного серого чугуна, «Литьё Украины», 2019, № 10, с. 2 - 4.

Автор: Миненко Георгий Николаевич, кандидат технических наук, доцент, руководитель Ресурсного центра отраслевого машиностроения министерства образования Московской области;

РФ, Московская область, г. Люберцы

моб. тел.: +7(909) 634-95-9, E-mail: minen29ko2009@ya.ru

«Литьё Украины», 2020, № 7, с.28-30