Влияние обработки электрическим полем на процесс графитизации литой стали

Графитизированная сталь, как известно, отличается термостойкостью, теплопроводностью и хорошей прирабатываемостью благодаря наличию в структуре включений графита, выполняющего роль смазки [1]. Это позволяет применять эту сталь для изготовления деталей с антифрикционными и высокими эксплуатационными свойствами. Однако длительный процесс термообработки (до 5 часов) для получения графитизированной стали существенно затрудняет технологический процесс её получения.

Для того, чтобы избежать этого недостатка технологического процесса для графитизированной стали был испытан способ, основанный на воздействии на расплав литой стали электрическим полем с использованием графитовых электродов. Опыты проводили на литой стали марки 40Л с химическим составом, отвечающим требованиям ГОСТа 977-88. Экспериментальная установка, схема которой представлена на рисунке 1,

Рис. 1 Схема экспериментальной установки для получения графитизированной стали

состояла из: 1 – печи сопротивления; 2 – устройства перемещения графитового тигля в печи сопротивления; 3 - графитового тигля; 4 – механизма подъёма центрального графитового электрода; 5 – центрального графитового электрод; ИП – измерительных приборов;  ИПН – источника пульсирующего напряжения.

Для определения оптимального временного периода обработки литой стали электрическим полем были проведены опыты по выявлению зависимости изменения массы ∆Р центрального графитового электрода 5 (см. рис. 1) во времени, т.е.

                                              Р_О + Р_T                                    

                                      ∆Р = ----------- 100% ,

                                                   Р_О

  где  Р_О – первоначальная масса центрального электрода;

Р_T – масса электрода после погружения в расплав стали и     воздействия  электрического поля в течение времени Т.

На рис. 2 приведён график зависимости изменения массы ∆Р центрального

Рис. 2 Изменение массы ∆Р центрального графитового электрода в зависимости от периода обработки электрическим полем

электрода при различных периодах обработки электрическим полем. Согласно этим данным (см. рис. 2) можно сделать вывод об изменении скорости растворения центрального графитового электрода  жидким сплавом под влиянием обработки электрическим полем.

Для определения воздействия электрического поля на прочностные свойства графитизированной стали с использованием различных периодов были проведены специальные опыты, результаты которых представлены на рис. 3. Величины прочностных свойств стали с периодами обработки равными 240 и 300 секунд, при значении относительной погрешности изменений равной 3,0 %, оказались равными. По этой причине оптимальным периодом обработки электрическим полем был выбран период 240 секунд.

Рис. 3 Влияние периода обработки  электрическим полем на средние величины прочностных свойств графитизированной литой стали

Результаты экспериментов по получению графитизированной стали на основе способа обработки электрическим полем расплава литой стали при периоде обработки равном 240 с представлены в таблице.

Таблица. Механические свойства литой стали 40Л, графитизированной стали и исходной, необработанной  графитизированной стали

Из этих данных видно, что литая сталь и необработанная графитизированная сталь уступают по значениям прочности (Ϭ_В) обработанной электрическим полем  графитизированной стали, при этом их твёрдость выше и значение относительного удлинения (δ) у необработанной графитизированной стали несколько меньше, чем у обработанной стали.    Количество включений графита в обработанной графитизированной стали на единицу площади шлифа превышает число включений графита в необработанной графитизированной стали (см. табл.), что свидетельствует о позитивном влиянии обработки стали электрическим полем на процесс графитообразования в расплаве графитизированной стали.

Различия в механических свойствах сравниваемых сталей (см. табл.) объясняются отличием в структурных составляющих и в количестве образованных в стали графитовых включений. В процессе обработки возникают электродные процессы за счёт разности потенциалов между металлом электродов и металлическим расплавом, что приводят к перемещению ионов металла в межэлектродном пространстве [2]. Это сказывается на повышении концентрации электронов и ионов в металлическом расплаве. Кроме этого, наложение электрического поля на металлический расплав приводит к ускорению движения электронов в жидкой стали. Ионы углерода и поток электронов в металлическом расплаве активируют гетерогенные процессы, возникающие на границе раздела фаз в жидкой стали. Эти процессы приводят к росту прочности и пластичности обработанной графитизированной стали (см. табл.) за счёт увеличения количества графитовых включений (гр. на 1 мм²) в структуре стали, по сравнению с  необработанной  графитизированной сталью.

Основываясь на теории В. Нерста [3], можно предположить, что процесс растворения представляет собой явление, при котором скорость образования растворённого вещества на границе твёрдой и жидкой фаз превосходит скорость переноса вещества в объём металлического расплава. Поэтому на межфазной границе образуется пограничный слой расплава с повышенной концентрацией углерода, прилегающий к поверхности центрального графитового электрода. В данном случае скорость растворения в металлическом расплаве зависит от размера диффузионного пограничного слоя. Как следует из используемой теории, коэффициент скорости растворения К равен

                                                        D

                                               К = --------- ,

                                                          ỡ

                   где D – коэффициент диффузии углерода в расплаве стали;

                         ỡ - величина эффективного пути диффузии углерода в пограничном слое.

         Величина ỡ зависит от гидродинамической обстановки и с ростом скорости конвективных потоков в жидкой стали, при выделения джоулева тепла, её значение уменьшается, что приводит к росту величины скорости растворения К углерода из графитовых электродов. Атомы углерода переходят в расплав стали и прераспределяются благодаря межатомным связям в металлическом расплаве. Вследствие этого в жидком сплаве возникают области обогащённые атомами углерода. В этих областях в процессе кристаллизации образуются включения графита, определяющие процесс получения графитизированной      стали [4].

Таким образом, обработка электрическим полем расплава литой стали улучшает условий массопереноса и способствует более полному насыщению расплава литой стали углеродом из графитовых электродов и ускорению процесса графитообразования в стали. Увеличение количества включений графита в обработанной графитизированной стали (см. табл.) положительно влияет на антифрикционных свойствах деталей [4]. Кроме этого, воздействие электрического поля вызывает рост прочностных свойств обработанной графитизированной стали, по сравнению с исходной графитизированной сталью. Отсутствие длительной термообработка литой стали позволит получить экономический эффект за счёт повышения производительности процесс получения (сокращение времени технологического цикла) графитизированной стали. Увеличение механических свойств за счёт обработки графитизированной стали электрическим полем также повысит её эксплуатационные свойства.

                                    ЛИТЕРАТУРА

1. Бунин К.П., Баранов А.А., Погребной Э.Н. Графитизация стали. Киев: Изд-во АН УССР, 1961, 85 с.
2. Прищепа Л.Т. Влияние электрического поля на кристаллизационные параметры вещества. В кн.:Механизм и кинетика кристаллизации. Минск:1964, 461с.
3. Жуховицкий А.А., Белащенко Д.К., Бокштейн Б.С., Григорян В.А., Григорьев Г.А., Гугля В.Г. Физико-химичесские основы металлургического производства. – М.: Металлургия, 1976. 391 с.
4. Тодоров Р.П. Графитизированные железоуглеродистые сплавы. – М.: Металлургия, 1981. 320 с.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРЕ

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

Литье Украины, №4, 2020, с. 15-19