автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Обеспечение рациональной структуры и повышенных свойств чугуна путем обработки расплава модификаторами без магния и редкоземельных элементов

На правах рукописи

Богданов Роман Александрович

ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ И ПОВЫШЕННЫХ СВОЙСТВ ЧУГУНА ПУТЁМ ОБРАБОТКИ РАСПЛАВА МОДИФИКАТОРАМИ БЕЗ МАГНИЯ И РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Специальность 05.02.01 Материаловедение (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

□□34634ТО

Брянск 2009

003463470

Диссертация выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Брянский государственный технический университет» на кафедре «Литейное производство и

материаловедение».

Научный руководитель доктор технических наук

Поддубный Анатолий Никифорович

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор Кандидат технических наук, доцент

Сильман Григорий Ильич Симочкин Василий Васильевич

Ведущая организация:

Закрытое акционерное общество «Управляющая компания «Брянский машиностроительный завод» (г. Брянск)

Защита состоится «7» апреля 2009 г. в 14 00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.021.02 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Брянский государственный технический университет» по адресу: 241035, Брянск, бульвар им. 50-летия Октября, 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Брянского государственного технического университета

Автореферат разослан «5» марта 2009 года.

Учёный секретарь диссертационного совета Д 212.021.02 д.т.н., проф.

Реутов А. А.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. В настоящее время в промышленности находит всё большее применение высокопрочный чугун с шаровидным (ЧШГ) и вермикулярным графитом (ЧВГ). Этот конструкционный материал обладает комплексом ценных физико-механических свойств, поэтому его используют для изготовления литых изделий ответственного назначения во многих отраслях промышленности.

Отливки из ЧШГ и ЧВГ в настоящее время получают модифицированием расплава чугуна модификаторами с магнием (М§) и редкоземельными элементами (РЗЭ), сопровождающимся пироэффектом и дымовыделением, ухудшающими санитарные и экологические условия.

Условия образования шаровидного и вермикулярного графита в чугуне, несмотря на многочисленные исследования, не имеют однозначного толкования. Форма включений графита в чугуне обусловлена условиями их роста в расплаве чугуна, однако о механизме этого процесса до сих пор ведутся дискуссии, так как существуют разные представления о природе центров кристаллизации графита (ЦК Г) в расплаве чугуна.

Существует несколько гипотез о природе ЦК Г в чугуне и их влияния на образование в нем различных форм графита. В последнее время обсуждаются теории зародышеобразования и формообразования графита в чугуне, основанные на влиянии различных типов неметаллических включений (НМВ) в расплаве чугуна.

Поэтому актуальной проблемой для теории и практики получения отливок из чугуна с шаровидной и вермикулярной формами графита является изучение природы ЦК Г в расплаве чугуна и разработка на этой основе эффективных экологически чистых способов получения ЧШГ и ЧВГ без использования модификаторов с и РЗЭ.

Цель работы. Разработка эффективного технологического процесса получения в отливках шаровидного и вермикулярного графита без использования модификаторов с М§ и РЗЭ на основе исследования природы центров кристаллизации и формы включений графита в чугуне.

Задачи исследования:

1. Экспериментальное изучение природы центров кристаллизации графита в чугуне

2. Изучение влияния типа графитной фазы в промышленной шихте на механические свойства и микроструктуру отливок из чугуна.

3. Выявление направленности влияния элементов на микроструктуру чугуна и на форму включений графита в нем на основе электронного строения их атомов.

4. Разработать эффективный технологический процесс получения ЧШГ и ЧВГ без использования модификаторов с М£ и РЗЭ на основе экспериментальных исследований природы ЦК Г в чугуне и теоретических исследований направленности влияния элементов на основе электронного строения их атомов на микроструктуру чугуна.

5. Проведение опытно-промышленных исследований по получению отливок с вермикулярной и шаровидной формой графита без использования

3

модификаторов с Mg и РЗЭ, направленных на внедрение в производство результатов работы.

Методы исследования. Основные результаты работы получены на основе экспериментальных исследований с помощью микрорентгеноспектрального анализа (МРА) микроструктуры чугунов различного химического состава и теоретического анализа связи стандартных значений изобарно-изотермических потенциалов образования оксидов, сульфидов, нитридов, карбидов входящих в чугун элементов с величиной суммарного значения потенциалов ионизации валентных электронов их атомов. Эти данные использованы для определения особенностей формирования структуры и свойств чугунов.

Достоверность выводов и практические рекомендации подтверждаются применением проверенных методик структурного анализа и обработки данных экспериментальными и опытно-промышленными исследованиями.

Научная новизна:

- на основе проведенных экспериментальных исследований с помощью МРА микроструктуры чугуна различного химического состава и анализа данных рентгеноструктурных исследований расплава чугуна с различной его температурой установлено, что центрами кристаллизации графита в расплаве чугуна при невысоком его перегреве являются попадающие из шихты и недорастворившиеся в расплаве включения графита, а не имеющиеся в нем оксисульфидные и оксидные НМВ;

- на основе экспериментальных исследований микроструктуры и свойств чугуна, выплавленного в промышленных условиях из различных шихтовых материалов с разной характеристикой графитной фазы, установлено, что их значения определяются типом графитной фазы в них, характеризующей наследственные свойства шихтовых материалов в отливках:

- установлена связь величины стандартных значений изобарно-изотермических потенциалов образования оксидов, сульфидов, нитридов, карбидов с величиной суммарного значения потенциалов ионизации валентных электронов (Х1В) атомов образующих их элементов, поэтому по нему можно оценивать порядок протекания химических реакций в расплаве чугуна и тем самым определять направленность влияния элементов на структуру чугуна, в том числе и на формообразование включений графита в чугуне;

- на основе анализа значений Ein элементов установлено, что Ва и Ca имеют низкие значения E1D и поэтому обладают повышенным сродством к поверхностно-активным примесям расплава чугуна, в силу чего могут эффективно повышать его поверхностное натяжение и тем самым служить эффективными элементами в модификаторах ЧШГ и ЧВГ.

Практическая значимость и реализация результатов работы:

- на основе установленной природы ЦК Г в расплаве чугуна и выявленного влияния типа шихтовых материалов на микроструктуру и свойства отливок из чугуна можно проводить эффективную технологию плавки и модифицирования, и

тем самым управлять в производственных условиях формированием микроструктуры и свойств отливок из чугуна с заданными свойствами;

- проведенные исследования позволили на научной основе разработать экологически чистый эффективный способ получения высокопрочного чугуна с ШГ и ВГ без использования модификаторов с Mg и РЗЭ с помощью модифицирования расплава выпускающими промышленностью модификаторами силикокальцием и силикобарием, который можно применить для получения отливок из ЧШГ и ЧВГ, используемых в любой отрасли.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Данные экспериментальных исследований природы центров кристаллизации графита в чугуне и влияния различных структурообразующих факторов на форму включений графита в нем.

2. Связь стандартных значений изобарно-изотермических потенциалов образования оксидов, сульфидов, нитридов, карбидов входящих в чугун элементов с величиной суммарного значения потенциалов ионизации валентных электронов атомов образующих их элементов.

3. Данные экспериментальных и опытно-промышленных исследований по получению отливок из чугуна с шаровидной и вермикулярной формой графита без использования модификаторов с Mg и РЗЭ.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на региональных и международных научно-технических конференциях: на 57-й научной конференции профессорско-преподавательского состава (Брянск, 2005г.), VIII съезд литейщиков (Ростов-на-Дону, 2007г.), на 58-й научной конференции профессорско-преподавательскогосостава (Брянск, 2008г.).

Внедрение результатов: Разработан способ получения отливок с шаровидной и вермикулярной формой графита без использования модификаторов с Mg и РЗЭ, который прошел промышленное опробование на предприятии ЗАО «УК «БМЗ», на что имеется акт внедрения.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ, 2 из которых в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, основных выводов, списка использованной литературы из 98 наименований. Она содержит 100 страниц текста, 35 рисунков и 8 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, изложены её цель, задачи, научная новизна и практическая значимость.

В первой главе приведен литературный обзор о влиянии различных факторов на формирование микроструктуры и свойств отливок из чугуна. Изучению свойств и микроструктуры чугуна посвящено много работ отечественных - A.M. Самарина, Н.Г. Гиршовича, К.П. Бунина, А.А. Жукова, Б.С. Мильмана, Н.Н. Александрова, Г.И. Сильмана, И.К. Кульбовского, И.В. Гаврилина и зарубежных - А. Ледебура, Л.В. Маурера, Е. Пивоварского, Г.

Лапланша, де Си и других. В них освещено влияние химического состава, скорости охлаждения, технологии выплавки, типа шихтовых материалов, модифицирования, термообработки на формирование параметров микроструктуры и свойств чугуна. Изучено влияние перечисленных факторов на графитизацию и отбел чугуна и форму включений графита в нем, определяющих его микроструктуру и свойства в отливках. Построено много структурных диаграмм чугуна, таких как диаграммы Л.В. Маурера, Г. Лапланша, Н.Г. Гиршовича, A.A. Жукова и другие. Но прогнозируемые по ним параметры микроструктуры чугуна в отливках являются качественными, поэтому не соответствуют количественным значениям в реальных отливках.

Отечественными учёными Б.А. Мельником, К.П. Буниным и другими проводились рентгенографические исследования расплава чугуна различного химсостава, с различной температурой и временем выдержки (рис. 1), на основе которых можно полагать, что центрами кристаллизации графита (ЦК Г) в расплаве промышленного чугуна могут выступать и находящиеся в нём микровключения графита.

В работе Т. Скаланда утверждается, что в качестве возможных центров гетерогенного образования зародышей графита в расплаве чугуна могут выступать два вида находящихся в нём неметаллических включений: сульфиды и оксисиликаты в виде простых или сложных соединений, образование которых термодинамически возможно в ходе выплавки или обработки модификаторами расплавов чугунов.

Из приведенного анализа литературы следует, что пока нет единого мнения о природе ЦК Г в расплаве чугуна и факторах, определяющих условия формирования включений графита различной формы.

В работах проф. И.К. Кульбовского (рис. 2) рассмотрено формирование микроструктуры чугуна в отливках - количество графита на площади шлифа (Sr, %), длины его включений (Lr, мкм) и их формы - в зависимости от поверхностного натяжения расплава чугуна crj'.. Между поверхностным натяжением расплава чугуна и структурой графита в чугуне существует зависимость: с увеличением значения количество графита и размер его включений уменьшаются, а форма

включений изменяется по схеме ПГ-> ВГ->ШГ. Это может служить

свидетельством того, что ЦК Г в расплаве чугуна являются его микровключения, а форма включений графита в чугуне зависит от условий их роста.

SA'

Рис. 1. Результаты рентгсноструктурного

анализарасплава чугуна

Рис. 2. Влияние поверхностного натяжения расплава чутлна С™. на микроструктуру графита в чу гуне: .4г - количество графита на площади шлифа, Iх - длина включений графита, мкм; ПГ - пластинчатый граф1гг; ВГ - вермикулярньш графит; ШГ-шаровидный графит

Из теории кристаллизации известно, что линейная скорость роста кристаллов в расплаве обратно пропорциональна межфазной энергии расплава на них, при этом свободно растущий кристалл стремится приобрести форму, соответствующую минимальной удельной поверхностной энергии. Этим объясняется то, что увеличение о^Ц, приводит к образованию включениями графита компактной формы - ВГ и ШГ, а уменьшение «т^., - к образованию ПГ в структуре отливок.

Из данных рис. 2 следует, что эффективными элементами являются те, которые способствуют повышению поверхностного натяжения расплава чугуна, что обеспечит ВГ и ШГ в микроструктуре чугуна.

Во второй главе приведена методика экспериментальных исследований. С целью установления природы ЦК Г в чугуне проводили экспериментальные исследования содержания элементов в чугуне различного химсостава методом локального микрорентгеноспектральногб анализа (МРА) на микроанализаторе «Камека». Результаты исследований получали в виде кривых интенсивности рассеивания (КИР) рентгеновского излучения вдоль линий сканирования рентгеновского луча на шлифе, пересекающего участки металлической матрицы длиной до 500 мкм, содержащей включения графита. Исследовали микроструктуру, содержание Бь Мп, Б и НМВ.

Для анализа микроструктуры в исследованиях использовали оптический микроскоп «Неофот - 2» с увеличением от 100 до 2000 раз. Структуру чугуна оценивали согласно ГОСТ 3443 - 87. Механические испытания проводили на

стандартных образцах в соответствии с ГОСТ 1497-84. Определяли следующие показатели свойств: предел прочности оц (МПа), твердость НВ (кг/мм2).

Образцы для механических испытаний и оценки микроструктуры получали из литых стандартных проб. Химический состав определяли эмиссионным спектрометром «Спектролаб М8» на специально отбеленных образцах с толщиной стенки 5 мм, взятых перед заливкой металла в форму.

В третьей главе представлены данные экспериментальных исследований природы ЦК Г в чугуне и влияния различных структурообразующих факторов на форму включений графита в нем.

Исследовано распределение и содержание 81, Мп, Я и НМВ в структурных составляющих следующих типов чугуна: в бескремнистом чугуне с пластинчатым графитом (ЧПГ), выплавленном из карбонильного Ре и чистого графита (рис. 3); в кремнистом ЧПГ, выплавленном из карбонильного Ре, чистого графита и (рис. 4): в модифицированном силикобарием и силикокальцием ЧВГ с включениями ШГ (рис. 5); в модифицированном лигатурой ЖКМК и Ва81 ЧВГ (рис. 6) и в других типах модифицированных чугунов.

Проведенные исследования с помощью МРА микроструктуры различных чугунов показали, что на КИР рентгеновских лучей, характеризующих содержание и распределение 81, Мп, 8 и НМВ в бескремнистом чугуне, нет экстремумов на КИР 81и, а расположение её соответствует расположению КИР фона 81ц (рис. 3). Это свидетельствует о том, что ни НМВ с высоким содержанием 51 ни 81 в этом чугуне нет, что подтверждается химическим анализом. В то же время на КИР 81« кремнистого чугуна (рис. 4) имеется экстремум, расположенный в металлической матрице и характеризующий высокое содержание 81, что свидетельствует о наличии НМВ БЮг, а расположение её по отношению к КИР фона 81а указывает на содержание 81 в этом чугуне на уровне, обнаруживаемом химическим анализом. Это говорит о том, что данный метод позволяет устанавливать наличие оксидных НМВ типа 8Ю2 в чугуне, а также определять содержание и распределение в нём 81.

Диаметр зонда на установке «Камека» составляет 2 мкм, что позволяет обнаружить и НМВ таких же размеров. Размер подложек для гетерогенного зарождения ЦК Г, по данным К.П. Бунина, Н.Г. Гиршовича и других, составляет 1 - 5мкм, поэтому они могут быть обнаружены и во включениях графита МРА на установке «Камека».

Таким образом, принятый в исследованиях метод МРА позволяет устанавливать наличие в чугуне НМВ размерами > 1 мкм, которые могут выступать в качестве подложек ЦК Г, а также определять содержание и распределение НМВ.

Данные исследований более 1000 различных включений графита, НМВ и участков металлической матрицы этих чугунов показывают, что содержание 81, Мп, в и НМВ во включениях графита находится на уровне их фона, в то время как в металлической матрице и у поверхности включений графита обнаруживаются НМВ с размерами > 1 мкм. Проведенные исследования показали, что оксидных НМВ типа 810: и других НМВ во включениях графита не обнаружено, поэтому они не могли выступать ЦК Г в расплаве исследованных чугунов.

б) б) Рис. 3. Распределение Si, Ми и S в ЧПГ. Рис. 4. Распределение Si, Мп и S в ЧПГ, выплавленном из карбонильного железа и выплавленном из карбонильного железа, чистого графита (а), и микроструктура этого чистого графита и Si (а), и микроструктура чугуна (б), на которой отображена линия этого чугуна (б), на которой отображена сканирования (А-Б) х 5(Х) линия сканирования (А-Б) х 500

Если бы НМВ типа Si02 или другого типа являлись ЦК Г, то бескремнистый чугун должен был бы закристаллизоваться белым, так как в нём кроме С, поступающего из науглероживателя-графита. других элементов нет, а он, как видно из рис. 3, имеет структуру графитизированного чугуна с включениями ПГ.

В то же время в кремнистом чугуне (рис. 4) содержатся НМВ типа SiCb, он имеет идентичную структуру графита с бескремнистым чугуном. Это свидетельствует о том, что в обоих случаях в качестве ЦК Г выступали микровключения самого графита, недорастворившегося в расплаве чугуна.

б) б) Рис. 5, Распределение $1, Мп и 8 в ЧВГ с Рис. 6. Распределение 81, Мп и 5 в ЧВГ, включениями ШГ. модифицированном и модифицированном лигатурой ЖКМК и

Ва81 (а), и его микроструктура (б), на которой Ва81 (а), и его микроструктура (б), на отображена линия сканирования (А-Б) х 500 которой отображена линия сканирования

(А-Б) \ 500

Локальный рентгено-спектральный анализ показывает наличие НМВ и повышенное количество Ва при модифицировании чугуна модификаторами с Ва и Са, при этом они располагаются преимущественно у включений графита (рис. 36). Полученные данные наряду с данными рентгено-структурного анализа расплава чугуна (рис. 1) позволяют утверждать, что ЦК Г в расплаве промышленного чугуна выступают находящиеся в нем включения графита, а НМВ других типов.

Исследовано влияние промышленных шихтовых материалов с разным типом графитной фазы (чугунные, стальные металлотходы, науглероживатель) и разной термовременной обработки (ТВО) расплава промышленного синтетического чугуна на его микроструктуру: количество графита на площади

шлифа (Бг, %), перлита (П, '/<>) и механические свойства - твердость по Бринеллю (НВ, кг/мм2), предел прочности на разрыв (сц, МПа) (рис. 7).

Установлено, что проведение ТВО расплава чугуна при его нагреве до 1525°С в течение 80 минут приводит к существенному снижению в нём 5г, вследствие чего свойства и структура разных типов чугунов, как видно из рис. 7, несколько приближаются, но не становятся одинаковыми. Такое влияние типа шихтовых материалов и ТВО расплава чугуна на его микроструктуру и свойства может быть объяснено разной природой попадающих из шихты в расплав чугуна включений графита, служащих затем центрами его кристаллизации.

щ

кг/ммр МПа

260 ■ 370

250 - 350

210 - 330

230 - 310

220 - 290

2Ю - 270

200 250

190 - 230

ВО - 210

П 1

НВ ай — ...

-- -с; S,

- á __ -- -- -

Ое НВ

1— ■ — " i

п %

95 90 8S ВО 75 70 65 60 5S

Sr.%

Ш МО 1Í20 ИЗО МО К50 %60 %70 Ш 1Í90 1500 1510 620 /. Г

Рнс. 7. Влияние ТВО расплава синтетического чугуна (S-j = 0,8 - 0,9) и типа шихтовых материалов на его структуру и свойства (сплошные линии - чугуны на основе стальных металлоотходов, пунктирные - на основе чугунных): Sr - количество графита на площади шлифа, П - перлит

Попадающие в расплав чугуна включения графита при выплавке чугуна на основе чугунных металлоотходов образовались при предыдущей их плавке, что и предопределило их природу и скорость растворения в расплаве чугуна. При выплавке синтетического чугуна на основе промышленных стальных металлоотходов, которые не содержали включений графита, а в качестве науглероживателя использовался бой графитированньгх электродов, куски которого растворялись в расплаве, что и приводило к образованию ЦК Г в чугуне на основе стальных металлоотходов. Это указывает на то, что ЦК Г в расплаве исследованных чугунов являлись попадающие из шихты и недорастворившиеся в нём включения графита. Если бы ЦК Г являлись НМВ разного типа, то общее количество графита (значения Sr) у чугуна на основе промышленных стальных металлоотходов было бы выше, чем на основе чугунных, так как в стали содержание оксидных и сульфидных НМВ выше, чем в чугуне. В то же время при высоких режимах ТВО расплавов разных типов чугунов (рис. 7) количество НМВ в них должно было быть одинаковым и поэтому количество Sr в них должно было бы быть одинаковым, чего на самом деле нет. Это свидетельствует о том, что ЦК Г в чугунах, выплавленных из разных шихт, являются микровключения графита, в то же время природа их происхождения в разных типах чугунов разная.

Если исходить из того, что ЦК Г в расплаве промышленного чугуна являются его микровключения, то из этих позиций хорошо объясняется и влияние элементов на графитизацию и отбел чугуна и образование различных форм включений графита в нем.

С этих позиций находит убедительное объяснение и то, как находящиеся в расплаве чугуна поверхностно-активные элементы в результате их взаимодействия с микровключениями графита и другими элементами расплава могут способствовать его графитизации, отбелу и формообразованию графита.

Нише оксиды

& Зп а

Г /у в^ № <| У^ и

¿0 ¿5

тг

ПБ

Т 1 ? ? ? *

¿Ю ¿5 ¿0 зЬт

ГйГйв!

Такое связано с строением элементов.

влияние электронным атомов Многие

ЯЗВ

элементы 8, О, 8с, Те, В1, Яп, vSb, А« являются поверхностно-активными и могут адсорбироваться на поверхности

находящихся в расплаве чугуна микровключений графита. Этим они будут тормозить их рост, что приведет отбелу чугуна. Элементы Ва, Са, Мц, РЗЭ вследствие низких

значений 2ЛВ и высоких значений изобарно-

изотермических потенциалов будут

активно вступать во взаимодействие с

находящимися в расплаве поверхностно-активными элементами, образуя с ними выделяющиеся в самостоятельные фазы устойчивые химические соединения в виде НМВ (рис. 8). Это будет способствовать очищению расплава от поверхностно-активных элементов и повышению поверхностного натяжения расплава чугуна, что способствует образованию ВГ и ШГ в нем (рис. 2).

При введении в расплав чугуна графитизирующих его с1-элементов (Со, N1, Си и др.) с более высокими значениями Е1в, чем у Ре (рис. 8), они будут ослаблять силу связи Бе - С, в результате чего будет увеличиваться сила связи С - С, способствующая образованию новых ЦК Г и графитизации чугуна.

При низком содержании химически активных элементов Ва, Са, Mg, Се, РЗЭ, У в расплаве чугуна, достаточном лишь для связывания в химические соединения находящихся в нем поверхностно-активных примесей, они будут очищать включения графита от примесей и способствовать активации ЦК Г и тем самым способствовать графитизации чугуна. При высоком содержании этих

Рис. 8. Зависимость стандартных значений изобарно-изотермического потенциала (- АО) образования низших оксидов, высших оксидов, сульфидов, нитридов, карбидов от величины суммарного значения потенциалов ионизации валентных электронов элементов (11в)

элементов сверх количества, необходимого для связывания поверхностно-активных примесей в устойчивые соединения, они будут адсорбироваться на включениях графита и их дезактивировать, что будет способствовать отбелу чугуна. Таким образом, влияние примесей в расплаве чугуна на его структуру хорошо увязывается с положением, что в качестве ЦК Г в нем являются его микровкяючения.

Поэтому введение в расплав чугуна силикокальция и силикобария способствует его рафинированию и удалению с ЦК Г примесей и повышению поверхностного натяжения, что приводит к образованию в его микроструктуре вермикулярного и шаровидного графита.

В четвёртой главе приведены данные экспериментальных и опытно-промышленных исследований по получению высокопрочного чугуна с ШГ и ВГ без использования модификаторов с М£ и РЗЭ.

Способ модифицирования чугуна включал введение в расплав чугуна смеси, содержащей силикобарий ФСБаЗО и силикокальций СКЗО в количествах 1,0 -2,5% от его массы при комбинировании их содержания в смеси 40-60 мае//?.

Количество и состав смеси нами выбраны исходя из установленного физико-химического влияния ее компонентов Са и Ва на процесс образования вермикулярного и шаровидного графита в промышленном чугуне. Экспериментальные исследования (табл. 1) показали, что для эффективной очистки расплава чугуна от примесей, способствующей образованию в нем вермикулярного и шаровидного графита (рис. 9), в него необходимо вводить до 2,5 % смеси ФСБаЗО и СКЗО от массы расплава чугуна.

Исследованиями установлено (табл. 1), что при введении в расплав чугуна модифицирующей смеси до 2,0 %> от его массы не происходит должного эффекта его очистки от примесей и образование вермикулярного и шаровидного графита, а введение модифицирующей смеси более 2,5 %> от массы расплава приводит к повышенному её расходу и эффекту "перемодифицирования" расплава чугуна силикокальцием.

В промышленной индукционной электропечи с ёмкостью тигля 1 т. выплавляли чугун, имеющий следующий состав: С - 2,9....3,8 %; - 1,8..,3,3 %; Мп - 0,5...1,5 %>; 8 - не более 0,1 %: Р-не более 0,08 %, и модифицировали его расплав в ковше смесью ФСБаЗО и СКЗО в количестве 1,3-2,79!' от его массы (табл. 2). Из модифицированного этой смесью чугуна получали в песчаных формах отливки и определяли их механические свойства и микроструктуру чугуна.

Опытно-промышленные исследования показали, что состав 1 (табл. 2) с содержанием 60% ФСБаЗО приводит к снижению свойств ав (предела прочности) и НВ (твердости) чугуна вследствие образования в его структуре повышенного количества феррита, а состав 5 с содержанием более 60% СКЗО приводит к снижению сгв и к повышению НВ чугуна, связанному с образованием цементита в его структуре.

При введении в расплав чугуна менее 1,5% смеси от его массы в структуре чугуна образуется более 70% пластинчатого графита, менее 30% вермикулярного графита и более 10% феррита, которые резко снижают значения а» и НВ чугуна. При введении в расплав чугуна более 2,5% смеси от его массы в структуре чугуна

образуется до 15% цементита, которые резко снижают значения ов и НВ или резко снижают оц и повышают НВ, что приводит к отбелу.

Проведенные нами опытно-промышленные исследования получения чугуна с ВГ и ШГ без использования модификаторов с и РЗЭ показали, что возможно в промышленных условиях получать чугун с ВГ и ШГ, используя модифицирующие смеси на основе выпускаемых промышленностью силикокальция СКЗО и силикобария ФСБаЗО (рис. 10). Получение чугуна с ВГ и ШГ с помощью таких модификаторов улучшает санитарные и экологические условия в цехах и позволяет снизить себестоимость чугуна, что подтверждено актом внедрения.

■ 'О ГЛ- *• ''-К ♦»* - »/

* Ф «

О

«

■ *

»$

Ф Ц

» *

Ш

«ЯК

»г/"«

* 1 тит,. - г. де« «с*. * _ М - М:

* ~

«О*

* А»1*

. *

Ч1

* 1 ь

-и»

У » V Г

Л"

Г

Г* в»' *•;> (

Я

#

{■ „х- ■*- '

(у> у** -Г^

Рис. 9. Форма шаровидного и Рис. 10. Форма шаровидного и

вермикулярного графита (табл. 1. плавка № 1) вермикулярного графита (табл. 2, плавка №3) х100 ' х.100

Таблица 1

--5

1 с! А Модификатор ФСБаЗО или СКЗО Расход смеси при введении его в ковш, % от массы расплава Химический состав, % Графит Механические свойства

С 81 Мп Я* Р а ¡1 О О Ж г II о ё 1 й 5 в 1 5 8 ■ ш К 03 в а. § 8 ЁА н! 2 е-3 5 о 3 Э

1 ФСБаЗО 2 3,33 3,17 0,8 0,01 0,07 ВГ-85 ШГ-15 45-90 25-45 8 436 224

2 ФСБаЗО 2.5 3,09 2,96 0,9 0.02 0.07 ВГ-80 ШГ-20 50-90 25^15 9 455 224

3 ФСБаЗО 2 3.06 2.93 0,78 0,01 0,07 ВГ-80 ШГ-20 50-80 25-45 12 450 230

4 СКЗО 2 3,12 2,41 0,9 0,01 0,05 ВГ-85 ШГ-15 45-90 25-45 8 420 212

5 СКЗО 2 3,06 2,44 0,8 0,01 0.04 ВГ-85 ШГ-15 45-90 15-25 5 388 205

6 ФСБаЗО СКЗО 2 3,2 3,04 1.16 0,01 0.04 ВГ-80 ШГ-20 45-90 15-45 8 441 228

- содержание 8 после модифицирования

Таблица 2

Влияния разного состава и расхода смеси на структуру1 и механические свойства чугуна

о "a tf- Структура чугуна Мех. свойства

В " Л г Графит Металлическая

I & - С = и основа, %

щ а £ 5 3 £ а и s I «•§• 6 3 <5 ' а а G 2 г 1 О -« а. Соотношение включений, 1 Длина включений графита, мкы Количество графита на шлифе, 9с Перлит £ S, 1 Цементит § а о НВ.сд

1 СК30-40 ФСБаЗО-бО 2 ВГ-90 ШГ-10 90-180 45-90 12 90 10 - 372 180

2 CK30-40 ФСЬаЗО-бО 2 ВГ-87 ШГ-13 45-180 15-90 12 96 4 - 390 195

3 СК30-50 ФСЬа30-50 2 ВГ-80 ШГ-20 45-90 15-45 10 100 - - 470 238

4 СК30-60 ФСЬа 30-40 2 ВГ-95 ШГ-5 45-90 15-45 8 100 - 4 454 286

5 СК30-60 ФСБа30-40 2 ВГ-85 11]'-! 5 45-90 90-150 5 100 - 10 364 303

6 СК30-40 1.3 ВГ-20. ПГ-80 45-180, 360-750 15 70 30 - 287 175

7 1,5 ВГ-95, ШГ-5 45-180,45-90 13 90 10 - 372 181

8 ФСБаЗО-бО 2,0 ВГ-87, ШГ-13 45-180, 15-90 12 96 4 - 450 195

У 2,5 ВГ90 +ШГ-10 45-180,15-45 10 98 2 - 383 202

10 2,7 ВГ-30.1)1-70 45-90,90-360 9 80 20 2 288 227

11 СК30-50 1,3 ВГ-30, ПГ-70 45-90,180-360 14 80 20 - 306 188

12 1,5 ВГ-93, ШГ-7 45-180, 15-45 12 96 4 - 455 209

13 ФСБа30-50 2,0 ВГ-80, ШГ-20 45-90,1545 10 100 - - 485 238

14 2,5 ВГ-88, ШГ-12 45-180,15-90 9 100 - 2 440 247

15 2,7 ВГ-30, ПГ-70 45-90,90-180 8 100 - 4 485 275

16 СК30-60 1,3 ВГ-10, ПГ-90 45-180,90-180 13 90 10 - 243 191

17 1,5 ВГ-98.ШГ-2 45-90, 15-45 11 96 4 - 379 229

18 ФСБаЗО-40 2,0 ВГ-95, ШГ-5 45-90,45-90 8 100 . 4 454 276

1У 2,5 ВГ-97.1Ш-3 45-90, 15-45 7 100 - 7 417 290

20 2,7 ВГ-25, ПГ-75 45-180,90-180 5 100 - 15 241 375

1 (структура чугуна оценивалась по I 'ОСТ 3443 - 87)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований были достигнуты следующие основные результата и сделаны выводы:

1. Проведенные микрорентгеноспектральные исследования микроструктуры чугуна и анализ данных рентгеноструктурных исследований расплава чугуна показал, что центрами кристаллизации графита в расплаве промышленного чугуна являются находящиеся в нём его микровключения, а не оксисульфидные и оксидные НМВ.

2. Экспериментальными исследованиями микроструктуры и свойств отливок из чугуна показали, что они определяются типом графитной фазы шихтовых материалов, характеризующие их наследственные свойства.

3. На основе теоретических исследований установлена связь стандартных значений изобарно-изотермических потенциалов образования оксидов, сульфидов, нитридов, карбидов с величиной суммарного значения потенциалов ионизации валентных электронов их атомов (Ив), которая определяет

15

направленность химических реакций. По значению ZI„ элементов можно судить о : прочности и типе образуемых ими соединений в чугуне, что может служить количественной характеристикой влияния элементов на свойства расплава чугуна и его микроструктуру.

4. Анализ влияния элементов на основе значений Х1в на величину поверхностного натяжения расплава чугуна показал, что наиболее сильно его повышают Ва и Ca с очень низкими значениями Х1в, поэтому они могут служить эффективными элементами в модификаторах ЧШГ и ЧВГ, очищающих расплав от примесей.

5. Разработан эффективный экологически чистый способ ковшевого модифицирования чугуна введением в его расплав смеси, содержащей силикобарий ФСБаЗО и силикокальций СКЗО, в количестве до 2,5 %. Результаты исследований позволили получить микроструктуру чугуна с содержанием до 20 % ШГ и до 80 % ВГ с пределом прочности ав = 372-485 МПа и твердости HB = 191238 ед. без использования модификаторов с Mg и РЗЭ.

6. Результаты опытно-промышленных исследований на предприятии ЗАО «УК «БМЗ» показали, что такая технология позволяет в производственных условиях получать экологически чистым способом ЧШГ и ЧВГ, при этом обеспечивается снижение себестоимости 1 т. жидкого металла на 22 что подтверждается актом внедрения.

Материалы диссертации ихюжены в следующих работах: Публикации в изданиях рекомендованных ВАК РФ:

1. Кульбовский, И.К. Влияние химического состава на свойства и структуру высокопрочного чугуна/ И.К. Кульбовский, А.Н. Поддубный, P.A. Богданов, C.B. Булдин// Заготовительные производства в машиностроении.- 2007.-№'5-С. 11-13.

2. Кульбовский, И.К. Влияние наследственности шихты на формирование центров кристаллизации графита в расплаве промышленного чугуна/ И.К. Кульбовский., А.Н. Поддубный, P.A. Богданов// Вестник БГТУ.- 2008.- №2.- С.5-12.

Статьи и материалы конференций:

3. Кульбовский, И.К. Факторы, влияющие на форму включений графита в чугуне/ И.К. Кульбовский, P.A. Богданов//Вестник БГИТА,- 2005.- JVsli- С.39-45.

4. Кульбовский, И.К.. Основные способы получения шаровидного графита/ И.К. Кульбовский, P.A. Богданов // Тезисы докладов 57-й научной конференции профессорско-преподавательского состава: в 2 ч. / под ред С.П. Сазонова, И.В. Говорова.- Брянск: БГТУ, 2005.-Ч. 1.с,11б-118.

5. Кульбовский, И.К. Факторы, влияющие на структуру графита в отливках из чугуна/ И.К. Кульбовский, P.A. Богданов// Металлургия машиностроения - 2006.- №5 - С. 19-22.

6. Кульбовский, И.К. Роль микропримсссй в формировании структуры графита в чугуне/ И.К. Кульбовский, P.A. Богданов// Литейщик России. -2006,- Xsl2,- С. 31-34.

7. Кульбовский, И.К. Получение чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом без применения матнийсодержащих модификаторов/ И.К. Кульбовский.. А.Н. Поддубный, P.A. Богданов// Литейное производство.- 2007. №2 - С. 7-9.

8. Кульбовский, И.К. Исследования влияния кальция и бария на образование в чугуне шаровидного графита/ И.К. Кульбовский., А.Н. Поддубный, P.A. Богданов, C.B. Булдин// Металлургия машиностроения,- 2(К)7.-№2 - С.20-22.

9. Кульбовский, И.К. Способ получения чугуна с шаровидным графитом и бейнитной металлической матрицей без применения магний содержащих модификаторов/ И.К. Кульбовский, К.В. Макаренко, О.В. Петраков, P.A. Богданов// Труды восьмого съезда литейщиков России. - Р.-н/Дону, 2007. - ч. 1. - с.20-25.

10. Кульбовский. И. К. Влияние межфазной поверхностной энергии «расплав-кристалл» в чугуне на его структуру в отливках/ И.К. Кульбовский, P.A. Богданов// Металловедение и термическая обработка металлов,- 2007 - №8,- С. 13-16.

11. Кульбовский, И.К. Образование центров кристаллизации графита в расплаве промышленного чугуна/ И.К. Кульбовский, А.Н. Поддужный, P.A. Богданов// Литейное производство,- 2(Х)8,- №6 - С. 11-15.

12. Кульбовский, И.К. Влияние термовременной обработки и шихтовых материалов на природу центров кристаллизации граф1па в расплаве чугуна/ И.К. Кульбовский., А.Н. ГТоддубный, P.A. Богданов// Литейщик России,- 2008,- Ms б,- С. 33-36.

J3. Кульбовский, И.К. Природа центров кристаллизации граф1гга в расплаве чугуна/ И.К. Кульбовский. А.Н. Поддубный, P.A. Богданов// Тезисы докладов 58-п научной конференции профессорско-преподавательского состава: в 2 ч. / под ред С.П. Сазонова, И.В. Говорова. -Брянск: БГТУ. 2(ХЙ.-ч.1.с.142-144.

Богданов Роман Александрович

ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ И ПОВЫШЕННЫХ СВОЙСТВ ЧУГУНА ПУТЁМ ОБРАБОТКИ РАСПЛАВА МОДИФИКАТОРАМИ БЕЗ МАГНИЯ И РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Автореферат

Лицензия № 020381 Подписано в печать 27.02.2009. Формат 60x84 1/16 Бумага типографическая. Офсетная печать. Пел. л. 1. Уч.-изд. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ № 87 Бесплатно

Брянский государственный технический университет.

241035, г. Брянск, бульвар 50-летия Октября, д. 7

Лаборатория оперативной полиграфии БГТУ, ул. Институтская, 16