автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Формирование микроструктуры чугуна с компактной формой графита на основе изучения образования центров его кристаллизации в расплаве

На правах рукописи

Богданов Роман Александрович

ФОРМИРОВАНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ ЧУГУНА С КОМПАКТНОЙ ФОРМОЙ ГРАФИТА НА ОСНОВЕ ИЗУЧЕНИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ЦЕНТРОВ ЕГО КРИСТАЛЛИЗАЦИИ В РАСПЛАВЕ

05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 5 МЛ? 2010

Рыбинск-2010

004599742

Диссертация выполнена в Государственном образовательном учрежден™ высшего профессионального образования «Брянский государственный технически] университет».

Научный руководитель: доктор технических наук

Поддубный Анатолий Никифорович

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор

Епархин Олег Модестович Кандидат технических наук, профессор Жуков Анатолий Алексеевич

Ведущая организация: Открытое акционерное общество «САНТЕХЛИТ»

(Брянская обл., п. Любохна)

Защита состоится «2Ь> апплл'л 2010 г. в часов на заседании

диссертационного совета Д 212.210.03 в ГОУ ВПО «Рыбинская государственная авиационная технологическая академия имени П.А. Соловьева» по адресу: 152934, г. Рыбинск, Ярославская область, ул. Пушкина, 53.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Рыбинская государственная авиационная технологическая академия имени П. А. Соловьева»

Автореферат разослан «,-12 » , 1<<</;л?а

Учёный секретарь диссертационного совета

.2010 года.

Н.А. Каляева

/

Общая характеристика работы

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

Отливки из чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом в настоящее время получают модифицированием расплава чугуна модификаторами с магнием и редкоземельными элементами, применение которых сопровождается пироэффектом и дымовыделени-ем, ухудшающими санитарные и экологические условия окружающей среды.

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 в расплаве чугуна и их взаимодействия с расплавом.

Существует несколько гипотез о природе центров кристаллизации графита в чугуне и условий образования в нем различных форм графита. В последнее время обсуждаются теории гетерогенного зародышеобразования и формообразования графита на различных типах неметаллических включений в расплаве чугуна.

Поэтому актуальной проблемой для теории и практики получения отливок из чугуна является изучение природы центров кристаллизации графита в его расплаве и разработка на этой основе экологически чистых способов получения чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом без использования модификаторов с магнием и редкоземельными элементами.

Цель работы - получение микроструктуры чугуна с компактной формой графита с использованием силикокальция и силикобария на основе исследования природы центров его кристаллизации в расплаве чугуна.

Задачи исследования:

1. Экспериментальное изучение природы центров кристаллизации графита в чугуне.

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

1 Исследование направленности влияния элементов на микроструктуру чугуна на основе электронного строения их атомов.

4. Разработка экологически чистого процесса получения чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом без использования модификаторов с магнием и редкоземельными элементами на основе изучения природы центров кристаллизации графита в чугуне и исследования направленности влияния элементов на микроструктуру чугуна.

5. Проведение исследований по выявлению влияния термообработки на количество перлита, феррита и бейнита в отливках из чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом, полученных с использованием силикокальция и силикобария.

Методы исследования. Основные результаты работы получены на основе экспериментальных исследований с помощью микрорентгеноспектрального анализа микроструктуры чугунов с различной формой графита, модифицирования расплава чугунд, термооб-

работки 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.

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

Научная новизна:

- на основе экспериментальных исследований с помощью микрорентгеноспектраль-ного анализа микроструктуры чугуна с различной формой графита, модифицирования расплава чугуна графитом и ферросилицием, усвоения науглероживателя в расплаве синтетического чугуна и влияния типа шихтовых материалов на графитную фазу в отливках установлено, что центрами кристаллизации графита в расплаве промышленного чугуна при невысоком его перегреве являются попадающие из шихты и недорастворившиеся в расплаве включения графита, а не имеющиеся в нем оксисульфидные и оксидные неметаллические включения;

- установлена связь величины стандартных значений изобарно-изотермических потенциалов образования оксидов, сульфидов, нитридов, карбидов с величиной суммарного значения потенциалов ионизации валентных электронов атомов (£1в), по которому можно оценивать порядок протекания физико-химических реакций в расплаве чугуна и тем самым определять направленность влияния элементов на микроструктуру чугуна и на взаимосвязь их с центрами кристаллизации графита, определяющую формообразование включений графита в чугуне;

- на основе анализа значений £1в элементов установлено, что Ва и Са имеют низкие значения £1в и поэтому обладают повышенным сродством к поверхностно-активным примесям расплава чугуна, в силу чего могут быть использованы в модификаторах для получения чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Данные экспериментальных исследований природы центров кристаллизации графита в расплаве чугуна 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 £1в 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 магнием и редкоземельными элементами и с различной металлической матрицей путем термообработки.

Практическая значимость и реализация результатов работы:

- на научной основе разработан экологически чистый способ получения высокопрочного чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом без использования модификаторов с магнием и редкоземельными элементами с помощью модифицирования расплава выпускающими промышленностью силикокальцием и силикобарием;

-разработаны методы получения в отливках из чугуна с шаровидным и вермикуляр-ным графитом заданного количества перлита, феррита, бейнита путем термообработки.

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-преподавательского состава (Брянск, 2008г.).

Внедрение результатов. Способ получения отливок с шаровидной и вермикулярнон формой графита без использования модификаторов с магнием и редкоземельными элементами прошел промышленное опробование на ЗАО «УК «БМЗ». на что имеется акт внедрения.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ. 3 из которых в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения. 5-ти глав, основных выводов, списка использованной литературы из 101 наименования. Она содержит 104 страницы. 41 рисунок. 11 таблиц и приложение.

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 структурообразующих факторов на формирование микроструктуры и свойств отливок из чугуна. Изучению свойств и микроструктуры чугуна посвяшено много работ отечественных ученых -A.M. Самарина. Н.Г. Гиршовича. К.П. Бунина. A.A. Жукова. Б.С. Мильмаиа. H.H. Александрова. Г.И. Сильмана. И.К. Кульбовского. И.В. Гаврилина и зарубежных ученых - 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 графитпзапшо 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 (рис. 1). Ряд ученых. A.M. Самарин и другие, рассматривали структурные изменения в чугуне, связанные с его структурно-чувствительными свойствами, которые указывают, что в расплаве промышленного чугуна находятся микровключения графита, которые могут выступать в качестве центра графита.

В зарубежной литературе утверждается, что в качестве возможных центров гетерогенного образования зародышей графита в расплаве чугуна могут выступать два вида находящихся в нём неметаллических включений: сульфиды и оксисилнкаты в виде простых или сложных соединений, образование которых термодинамически возможно в холе выплавки или обработки модификаторами расплавов чугунов. однако нет экспериментальных

данных по изоморфности кристаллической решетки неметаллического включения с решеткой графита.

Из литературы известно, что между поверхностным натяжением расплава чугуна и структурой графита в чугуне существует зависимость, которая показывает, что с увеличением поверхностного натяжения расплава чугуна количество графита и размер его включений уменьшаются (рис. 2). Это связано с тем, что согласно закону Вульфа-Кюри свободно растущий в расплаве кристалл стремится приобрести форму, соответствующую минимальной удельной поверхностной энергии, которой соответствует его компактная форма.

Ш мкм

280

)200 ¿г

120

40 О

гПГ • + I ВГ^Щ. I I " I -

I . I

I "

I I I I I I I I I I I I I г

£

750 850 950

1050 1150 _ у

(Т** -

1250 1350 10!Л

Рис. 2. Влияние поверхностного натяжения расплава чугуна на структуру графита в чугуне: Бг - количество графита на площади шлифа, %, Ьг - длина включений графита, мкм. ПГ - пластинчатый графит, ВГ - вермикулярный графит, ШГ -шаровидный графит Форма графита в чугуне существенно зависит от скорости охлаждения его расплава. Сфероидиза-ция графита при затвердевании чугуна осуществляется в переходной жидко-твердой области при изменении скорости переохлаждения.

Получение компактного графита наблюдалось лишь в чистых расплавах чугуна, в промышленных расплавах получение шаровидного или вермику-лярного графита этим способом не достигается.

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

Во второй главе приведена методика экспериментальных исследований.

С целью установления природы центров кристаллизации графита в чугуне проводили экспериментальные исследования содержания элементов в чугуне с различной формой графита методом локального микрорентгеноспектрального анализа на микроанализаторе «Камска». 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

12А'П

Рис. I. Результаты рентгеноструюурного анализа расплава чугуна

включения графита. Исследовали микроструктур}', содержание^, Мп, в и неметаллических включений.

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 149784. Химический состав определяли эмиссионным спектрометром «Спектролаб М8» и химическим анализом.

В третьей главе представлены данные экспериментальных исследований природы центров кристаллизации графита в чугуне.

Исследовано с помощью микрорентгеноспектрального анализа на установке «Каме-ка» распределение и содержание 51. Мп, Б и неметаллических включений 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 кристаллического Б1 (рис. 4), а также в других типах синтетического чугуна с пластинчатой, вермикулярной и шаровидной формой графита.

Исследования с помощью микрорентгеноспектрального анализа микроструктуры бескремнистого чугуна показали, что на КИР рентгеновских лучей, характеризующих содержание и распределение в нем 51. Мп. 5 и неметаллических включений, нет экстремумов, а расположение их соответствует расположению КИР фона этих элементов (рис. 3). Это свидетельствует о том. что неметаллических включений с содержанием этих элементов в этом чугуне нет, что подтверждается и химическим анализом. В то же время на КИР 51а кремнистого чугуна (рис. 4) имеется экстремум, расположенный в металлической матрице у включения графита и характеризующий высокое содержание 5и что свидетельствует о наличии неметаллического включения БЮт. а расположение её по отношению к КИР фона 510 указывает на содержание 51 в этом чугуне на уровне, обнаруживаемом химическим анализом, при этом чугун закристаллизовался с включениями графита. Это говорит о том, что данный метод позволяет устанавливать наличие оксидных неметаллических включений типа 8Ю2 и другого типа в микроструктуре чугуна, а также определять их содержание и распределение как в металлической матрице, так и во включениях графита.

Микрорентгеноснектральный анализ более 1000 различных включений графита показал, что оксидных неметаллических включений типа БЮ? и других неметаллических включений во включениях графита не обнаружено, поэтому они не могли выступать центрами кристаллизации графита в расплаве исследованных чугунов.

Если бы неметаллические включения типа 5Ют или другого типа являлись центрами кристаллизации графита, то бескрсмнистый чугун (рис. 3) должен был бы закристаллизоваться белым, так как в нём кроме углерода, поступающего из науглероживателятрафита, других элементов нет. а он имеет структуру графитизированного чугуна с включениями пластинчатого графита. В то же время в кремнистом чугуне (рис. 4) содержатся неметаллические включения типа БЮ^. но он имеет идентичную структуру графита с бескремнистым чугуном. Это свидетельствует о том, что в обоих случаях в качестве центрами кристаллизации графита выступали микровключения самого графита, недорастворившегося в расплаве чугуна.

б) б) Рис. 3. Распределение 51, Мп и 8 в ЧПГ, выплавлен- Рис. 4. Распределение Мп и 3 в ЧПГ, выплавном из карбонильного железа и чистого графита (а), ленном из карбонильного железа, чистого графи-и микроструктура этого чугуна (б), на которой ото- та и (а), и микроструктура этого чугуна (б), на сражена линия сканирования (А—Б) х 500 которой отображена линия сканирования (А-Б) х

500

Полученные результаты наряду с литературными данными рентгено-структурного анализа расплава чугуна (рис. 1) позволяют утверждать, что центрами кристаллизации графита в расплаве промышленного чугуна выступают попадающие из шихты и находящиеся в нем включения графита, а неметаллические включения других типов.

В четвёртой главе приведены данные экспериментальных исследований, направленные на изучение протекания в расплаве чугуна физико-химических процессов и их влияния на структуру чугуна..

Исследовали влияние модифицирования расплава синтетического чугуна на величину отбела клина (рис. 5). В расплав после его выдержки в печи при 1500° С в течение 30 ми-

нут с целью дезактивации центров кристаллизации вводили по 0.5% чёрного графита или ферросилиция ФС75. Потери модифицирующего эффекта, оцениваемые величиной отбела клина по истечении некоторого времени после введения модификатора, приведены на рис. 5.

Усвоение твёрдого науглсроживателя расплавом чугуна происходит весьма медленно (рис. 6), поэтому и растворение графита как модификатора в расплав чугуна происходит медленно. В связи с этим в расплаве чугуна продолжительное время находятся недорас-творившиеся микровключения графита, которые и служат дополнительными центрами кристаллизации графита при его кристаллизации, из-за чего эффект модифицирования графитом является весьма продолжительным.

25 мин

20 \.*

Ю

/ !

/ /

!f

12 % мм 16

/-

12 15 18 21 мин 27

/-з-

Рис. 5. Зависимость величины отбела клина / от типа модификатора и продолжительности выдержки I расплава после модифицирования: 1 -чёрный графит; 2 - ферросилиций ФС75

Рис. 6. Зависимость времени усвоения углерода |С| расплавом синтетического чугуна из твёрдого науг-лероживателя вводимого на зеркало металла бт температуры 1 и содержания Si (исходное содержание С -1.2-1.55%: 1-0.8% Si. 1400° С: 2 - 0,2% Si. 1430' С: 3 - 0.8% Si. 1450° С; 4 - 0.8% Si. 1600° С) При модифицировании расплава чугуна ФС75 в отдельных его микрообъёмах, где находились его частицы, в течение непродолжительного времени создаётся повышенное содержание Si. что приводит к повышению термодинамической активности углерода в этих микрообъёмах расплава и появлению там повышенного количества свободных атомов углерода. способствующих образованию новых центров кристаллизации графита, и на них не успевают адсорбироваться из расплава включения атомов S. О. что приводит' к быстрому их растворению в расплаве чугуна и быстрой потере модифицирующего эффекта ФС75.

Исследование влияния промышленных шихтовых материалов с разным типом графитной фазы (чугунные, стальные металлотходы, науглероживатель) и разной термоврс-менной обработкой (ТВО) расплава промышленного синтетического чугуна показало, что ТВО расплава чугуна при его нагреве до 1525°С в течение ВО минут приводит к существенному снижению в нём Sr, вследствие чего свойства и структура разных типов чутунов. как видно из рис. 7, несколько приближаются, но не становятся одинаковыми. Такое влияние тина 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.

Попадающие в расплав чугуна включения графита при выплавке на основе чугунных мстал-лоотходов 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 науглерожива-теля использовался бои графин; рованных электродов, куски которого растворялись в расплаве, что и приводило к образованию центров кристаллизации графита в чугуне на основе стальных металлоотходов. Это указывает на то, что центрами кристаллизации графита в расплаве исследованных чугунов являлись попадающие из ши> ты и недорастворившиеся в нём включения графита. Если бы центрами кристаллизации графита являлись неметаллические включения разного типа, то общее количест во графит (значения Б]-) у чугуна на основе промышленных стальных металлоотходов было бы выш< чем на основе чугунных, так как в стали содержание неметаллических включений горазд выше, чем в чугуне.

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

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

Такое влияние связано с электронным строением атомов элементов. Многие элементы (8. О, Бе. Те, В1, Бп, 8Ь, Аб) являются поверхностно-активными и могут адсорбироват ься на поверхности находящихся в расплаве чугуна микровключений графита. Этим они будут тормозить их рост, что приведет к отбелу чугуна. Элементы Ва. Са. РЗЭ вследствие низких значений Пв 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 неметаллических включений (рис. 8).

При введении в расплав чугуна графитизирующих его ё-элементов (Со. №. Си п др.) с более высокими значениями 11ц. чем у Ре (рис. 8). они. замещая атомы Рс. будут ослаблять силу связи в микрогруппировках Ре - С. в результате чего будет увеличиват ься сила связи С - С. способствующая образованию новых центров кристаллизации графита и гра-фитизации чугуна, а карбидообразуюшие с!-элементы будут действовать наоборот.

7'5г

5

Рис. 7. ВлияниеТВО расплава синтетического чугуна (Ээ = 0.8 - 0.9) и типа шихтовых материалов на его микроструктуру и свойства (сплошные линии - чугуны на основе стальных металлоотходов, пунктирные - на основе чугунных): 5| - количество графита на площади шлифа, П - количества перлита

270 370

кг/мм' МПа

250 350

| 230 - | зю

НВ 210 -в* 270

190 230

170 190.\

200 кПх

Ш,

Карбиды Нитриды

Поэтому введение в расплав чугуна силикокадь-ция и силикобария способствует его рафинированию и очистке с центров кристаллизации графита примесей и повышению поверхностного натяжения расплава (рис. 2), что приводит к образованию в его микроструктуре верми-кулярного и шаровидного графита.

-Ю0 -200 -300 -400

| -500

I ^ -600

-700

-800 -900 -1000

-т--1200 ■

В пятой главе приведены данные экспериментальных и опытно-промышленных исследований по получению высокопрочного чугуна с шаровид-

25 75 125 175 225 275 433 578 Ш381480

Рис. 8. Зависимость стандартных значений изобарно-

изотермического потенциала (-ДС,°98) образования различных со- шм и вермикулярным

единений от величины суммарного значения потенциалов ионизации фитом без использования

валентных электронов элементов (У1в) ,

модификаторов с магнием и

редкоземельными элементами и их термообработке.

Способ модифицирования чугуна включал введение в расплав чугуна смеси, содержащей силикобарий ФСБаЗО и силикокальций СКЗО в количествах 1,0 - 2,5% от его массы.

В промышленной индукционной электропечи с ёмкостью тигля 1 т. выплавляли чугун, имеющий химический состав (%): С -2,9...3,8; - 1,8...3,3; Мп - 0,5..>1,5; 8 - около

0.1; Р - не более 0,08. Расплав обрабатывали в печи силикокальцием СКЗО, а затем" модифицировали его в ковше силикобарием ФСБаЗО (табл. 1, 2).

В 1-й серии опытно-промышленных плавок исследовали влияние разного расхода силикобария на структуру и механические свойства чугуна при постоянных параметрах обработки расплава в печи силикокальцием: разного расхода силикобария (эксперименты

1, табл. 1) и разной температуры слива жидкого металла при одинаковом расходе силикобария (эксперименты II, табл. 1).

Из табл. 1 видно, что наиболее эффективным является модифицирование в ковше расплава чугуна силикобарием в количестве 0,7-1,2 % от его массы при температуре слива металла из печи 1490-1510° С. Это обеспечивает при расходе 1% силикокальция для обработки расплава в печи получение в структуре чугуна более 80 % вермикулярного и до 20% шаровидного графита, вследствие чего достигаются высокие механические свойства чугуна: прочность 384-517 МПа, твёрдость НВ 193-237 кг/мм2, что соответствует маркам ЧВГ 35-ЧВГ 45 ГОСТ 28394-89.

Во 2-й серии опытно-промышленных плавок исследовали влияние на степень очистки расплава чугуна от серы, его структуру и механические свойства разного расхода силикокальция (эксперименты I, табл. 2), разной температуры обработки расплава в печи сили-

кокальцием (эксперименты II, табл. 2), разного времени обработки расплава в печи еили-кокальцием (эксперименты III, табл. 2).

Таблица 1

Влияние температуры, расхода ФСБа 30 и постоянного расхода СК30 на структуру чугуна

2 га г ? г ^ * 1 Режим обработки расплава в печи СКЗО Структура чугуна по ГОСТ 3443-87 Мех. свойства ;

5 О ? 5 а . я ^ я со 0 о. я О ч с с а и £ й 0 о го м я „ Ш - и 3 © 2 1 1 ё 5 я о. 1> О с 5 (2 Графит %. па шлифе '= 1

Сер г а о с о * г> Расход. % <Ж _ В | о. ^ ео ВГ ШГ П,% Ф.% I I? 5 1 Ь |

0,5 1.0 1500 10 97 3 90 10 372 184 ,

0.7 1.0 1500 10 92 8 92 8 384 193

1 1500 1.0 1,0 1500 10 80 20 96 4 517 235 ■

1,2 1,0 1500 10 82 18 97 3 512 237 '

1,5 1,0 1500 10 86 14 98 2 488 241 ;

1450 1,0 1500 10 80 20 88 12 336 187 ,

1480 1.0 1500 10 89 И 94 6 477 219 !

I 1500 1.0 1.0 1500 10 80 20 96 4 517 235 !

1520 1.0 1500 10 81 19 96 4 506 237 1

1550 1.0 1500 10 88 12 97 464 244 :

Таблица 2

Влияние температуры, расхода СКЗО и постоянного расхода ФСБа 30 на структуру чугуна

Обработка расплава в печи о Структура чугуна по ГОСТ 344 3-87 !

о Графит %, на шлифе !

Серия экеперимен' Температура 'С § 1 о. г аз Расход СКЗО. % Содержание после обработки, % Расход ФСБ в ковше, ° ВГ ШГ пг п.% Ф.% Я ] б? |

0,5 0.022 1.0 40 - 60 85 15 285 |

0.8 0,014 1,0 95 5 90 10 363 :

1 1500 10 1.0 0,011 1,0 80 20 96 4 517

1.3 0.010 1,0 85 15 - 97 3 488 ■

1.5 0,010 1.0 90 10 - 100 - 370 ;

1470 0.015 1.0 90 10 94 6 457

1490 0.012 1.0 85 15 94 6 475

11 1500 10 1.0 0,011 1,0 80 20 - 96 4 517

1510 0.010 1,0 82 18 - 96 4 506

1530 0.010 1,0 84 16 - 97 3 495 :

5 0,016 1,0 96 4 - 97 3 452 :

8 0,013 1,0 87 13 - 97 3 465 :

III 1500 10 1.0 0.011 1.0 80 20 - 96 4 517 1

12 0.010 1,0 81 19 - 94 6 509

15 0,010 1,0 83 17 94 6 506 ;

Из табл. 2 видно, что наиболее эффективная обработка расплава чугуна в печи сили-кокальцием достигается при его расходе 0,8-1,3% от массы расплава при выдержке расплава в индукционной электропечи при 1490-1510° С в течение 8-12 минут. Это обеспечивает снижение содержания серы в расплаве до 2,5 раз, благодаря чему при введении в ковш 1% силикобария получается в структуре чугуна более 80% вермикулярного и до 20% шаровидного графита при высокой прочности (363-509 МПа).

Лроведенныс нами опытно-промышленные исследования показали, что возможно в промышленных условиях получать чугун марок ЧВГ 35-ЧВГ 45, используя модифицирующие смеси на основе выпускаемых промышленностью силикокальция СКЗО и силикобария ФСБаЗО (рис. 9).

в) г)

Рис. 9: а) нетравленый шлиф (эксперимент I, табл. 2); х 100; б) нетравленый шлиф (эксперимент П.табл. 1), хЮО; в)травленый шлиф (эксперимент I, табл. 2), х 100; г)травленый шлиф (эксперимент II, табл. 2), х500

Структура и механические свойства отливок, получаемых в литом состоянии, не всегда соответствуют требованиям, предъявляемым к ним.

Если отливки в литом состоянии не соответствуют предъявляемым к ним требованиям по структуре и механическим свойствам, то для повышения пластичности в отливках из ЧШГ и ЧВГ применяется ферритизирующий отжиг, который обеспечивает в структуре ферритную матрицу, а использование нормализации и изотермической закалки позволяет получать в структуре более 90% перлита и бейнит. что существенно приводит к высоким значениям предела прочности и твердости (табл. 3).

Таблица 1,

Влияние термообработки на структура и механические свойства чугуна

Химический состав, % Соотношение включений гра- Метаплическая основа, % Механические свойства Номер

С Мл Э' Р Перлит Феррит НВ, ^ 5, МПа кг/мм2 % рисунка

Структура и механические свойства чугуна до термообработки Рис. 10,а

3,0 | 2,3 | 0,5 | 0,01 | 0,05 | 8Г-85;ШГЧ5 ( 25 | 75 | 415 | 185 | 1,5

Структура и механические свойства чугуна после термообработки (Температура нагрева Т = 750°С, выдержка 1,5 часа, охлаждение в печи) Рис. 10,6

3,0 | 2,3 | 0,5 | 0,01 | 0,05 | ВГ-85;ШГ-15 Феррит-100 | 385 | 155 | 14

Структура и механические свойства чугуна после термообработки Температура нагрева Т = 900°С, выдержка 1,5 часа, охлаждение на воздухе Рис. 10,в

3,0 | 2,3 | 0,5 | 0,01 | 0,05 | ВГ-85;ШГ-15 | 90 | 10 | 455 | 215 | 4

Структура и механические свойства чугуна после термообработки (Температура нагрева Т = 950°С, выдержка 2 часа; Температура изотермической закалки Т = 350°С, выдержка 2 часа, а затем охлаждение на воздухе | Рис. 10,г

3,0 | 2,3 | 0,8 | 0,01 | 0,05 | ВГ-85;ШГ-15 ! Бейнит-100 | 945 | 310 | 1,5

- содержание Б после модифицирования

в) г)

Рис. 10. Структура чугуна (травленый шлиф, табл. 3): а) до термообработки (Перлит + Феррит), хЮО: б) отжиг (Феррит), хЮО; в) нормализация (Перлит (90%) + Феррит (10%)), х500; г) изотермическая закалка (Бейнит), х500

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований были достигнуты следующие основные р ; зультаты и сделаны выводы:

1. Проведенные микрорентгеноспектральные исследования микроструктуры чугу! анализ литературных данных рентгеноструктурных исследований расплава чугуна, эксг риментальные данные, полученные из разных шихт, с использованием разных модифм

торов, показали, что центрами кристаллизации графита в расплаве промышленного чугуна являются попадающие из шихты и находящиеся в нём его микровключепия. а не окси-сульфидные и оксидные неметаллические включения.

2. На основе теоретических исследований установлена связь стандартных значений изобарно-изотермических потенциалов (-AG%8) образования элементами оксидов, сульфидов, нитридов, карбидов с величиной суммарного значения потенциалов ионизации валентных электронов их атомов (£1в), которая определяет направленность химических реакций. По значению XIв элементов можно судить о прочности и типе образуемых ими соединений в чугуне, что может служить количественной характеристикой влияния элементов на физические свойства расплава чугуна и его микроструктуру.

3. Анализ связи -AG^s элементов со значением £1в показал, что наиболее сильно его повышают Ва и Ca с очень низкими значениями £1В, поэтому они могут служить эффективными элементами в модификаторах, очищающих расплав от примесей.

4. Разработан экологически чистый способ ковшевого модифицирования чугуна введением в его расплав смеси, содержащей силикобарий ФСБаЗО и еиликокалыщй СКЗО. в количестве до 2.5 %. Результаты исследований позволили получить микроструктур}' чугуна с содержанием до 20 % шаровидного и до 80 % вермикулярного графита с пределом прочности Ов = 372—485 МПа и твердости HB = 191-238 кг/мм без использования модификаторов с магнием и редкоземельными элементами, что соответствует маркам чугуна ЧВГ35 - ЧВГ45 ГОСТ 28394-89.

5. Разработаны способы получения в отливках из чугуна с шаровидным и вермику-лярным графитом заданного количества перлита, феррита, бейнита путем термообработки.

6. Результаты опытно-промышленных исследований на предприятии ЗАО «УК «БМЗ» показали, что такая технология позволяет в производственных условиях получать экологически чистым способом чугун с шаровидным и вермикулярньш графитом в любых отраслях промышленности, при этом обеспечивается снижение себестоимости 1 т: жидкого металла на 22 %, что подтверждается актом внедрения.

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

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

2. Кульбовский, И.К. Влияние межфазной поверхностной энергии' «раснлав-кристалл» в чугуне на его структуру в отливках [Текст] / И.К. Кульбовский. P.A. Богданов // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2007-№8. - С. 13-1 б.

3. Покровский, Ю.К. Управление структурой высококачественных чугунов с пластинчатым графитом в крупногабаритных отливках [Текст] / Ю.К. Покровский. C.B. Пы-зин, В.И. Ерохина. A.B. Лебедев. P.A. Богданов // Заготовительные производства в машиностроении. - 2007. - №12. - С. 3-7.

Статьи и материалы конференций:

4. Кульбовский, И.К. Исследование жидкотекучести стали [Текст] / И.К. Кульбовский. В.Г. Солдатов. М.С. Мануев. P.A. Богданов // Вестник БГ'ТУ. - Брянск: Ы ТУ. - 2004. -№2.-С. 13-17.

5. Туркин, С.А. Исследование влияния химического состава на склонность отливок к отбелу [Текст] / С.А. Туркин, И.К. Кульбовский, P.A. Богданов // Вестник БГТУ. - Брянск: БГТУ, - 2004. - №4. - С. 15-23.

6. Кульбовский, И.К. Факторы, влияющие на форму включений графита в чугуь [Текст] / И.К. Кульбовский. P.A. Богданов // Вестник БГИТА. - Брянск: БГИТА, - 2005. №1.-С. 39-45.

7. Кульбовский, И.К. Основные способы получения шаровидного графита [Текст] . И.К. Кульбовский, P.A. Богданов // Тезисы докладов 57-й научной конференции профс сорско-преподавательского состава: в 2 ч. / Под ред. С.П. Сазонова, И.В. Говорова. Брянск: БГТУ. 2005. - 4.1. - С. 116-118.

8. Кульбовский, И.К. Роль микропримесей в формировании структуры графита в ч; гуне [Текст] / И.К. Кульбовский, P.A. Богданов // Литейщик России. - 2006. - №12. - ( 31-34.

9. Кульбовский, И.К. Получение чугуна с шаровидным и вермикулярным графите без применения магнийсодержащих модификаторов [Текст] / И.К. Кульбовский. А.Н. По. дубный. P.A. Богданов // Литейное производство. - 2007. - №2. - С. 7-9.

10. Кульбовский, И.К. Исследования влияния кальция и бария на образование в чуг не шаровидного графита [Текст] / И.К. Кульбовский, А.Н. Поддубный, P.A. Богданов. С1 Булдин //.Металлургия машиностроения. - 2007. - №2. - С. 20-22.

11. Кульбовский, И.К. Способ получения чугуна с шаровидным графитом и бейни ной металлической матрицей без применения магнийсодержащих модификаторов [Текст , И.К. Кульбовский. К.В. Макаренко. О.В. Петраков. P.A. Богданов // Труды 8 съезда лиге щиков России. Том 1. Ростов - на - Дону. 2007. - С. 20-25.

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

13. Кульбовский, И.К. Образование центров кристаллизации графита в раепла: промышленного чугуна [Текст] / И.К. Кульбовский. А.Н. Поддубный. P.A. Богданов ■'■' Л тейное производство. - 2008. - №6. - С. 11-15.

14. Кульбовский, И.К. Влияние термовременной обработки и шихтовых материал! на природу центров кристаллизации графита в расплаве чугуна [Текст] / И.К. Кульбовски А.Н. Поддубный, P.A. Богданов // Литейщик России. - 2008. - №6. - С. 33-36. .

15. Кульбовский, И.К. Природа центров кристаллизации графита в расплаве чут [Текст] / И.К. Кульбовский. А.Н. Поддубный. P.A. Богданов // Тезисы докладов 58-й нау ной конференции профессорско-преподавательского состава / Под ред. С.П. Сазонова. И. Говорова.-Брянск: БГТУ. 2008. - С. 142-144.

Зав. РИО М. А. Салкова Подписано в печать 11.03.2010. Формат60x84 1/16. Уч.-издл. I. Тираж 100. 3акаэ37.

Рыбинская государственная авиационная технологическая академия имени п. А. Соловьева (РГАТА имени п. А. Соловьева) 152934. г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53 Отпечатано в множительной лаборатории РГАТА 152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53

Введение.

Глава 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР.

1.1 Связь структуры и свойств чугуна.

1.2 Природа центров кристаллизации графита в чугуне.

1.3 Влияние химического состава на форму включений графита в чугуне.

1.4 Влияние модифицирования на форму включений графита в чугуне.

1.5 Влияния технологии плавки и шихтовых материалов на форму включений графита в чугуне.

1.6 Влияние физических свойств и строения расплава чугуна на форму включений графита в чугуне.

1.7 Влияние скорости охлаждения на форму включений графита и структуру чугуна.

1.8 Термическая обработка.

1.9 Выводы.

Глава 2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1 Методика проведения экспериментальных плавок чугуна.

2.2 Методика проведения механических испытаний.

2.3 Методика проведения металлографических исследований.

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИРОДЫ ЦЕНТРОВ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ГРАФИТА В РАСПЛАВЕ ЧУГУНА МИКРОРЕНТГЕНО

СПЕКТРАЛЬНЫМ АНАЛИЗОМ.

Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СТРУКТУРООБРАЗУЮЩИХ ФАКТОРОВ НА ФОРМУ ВКЛЮЧЕНИЙ ГРАФИТА В ЧУГУНЕ И . РАЗРАБОТКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ ПОЛУЧЕНИЯ ОТЛИВОК

С ЗАДАННОЙ СТРУКТУРОЙ.

4.1 Исследование влияния физико-химических процессов на структуру чугуна.

4.2 Исследование влияния химического состава чугуна на строение его расплава и структуру отливок.

4.3 Исследование влияния скорости затвердевания расплава чугуна на структуру отливок.

4.4 Выводы.

Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ПОЛУЧЕНИЮ ОТЛИВОК ИЗ ЧУГУНА С ШАРОВИДНОЙ И ВЕРМИКУЛЯРНОЙ ФОРМОЙ ГРАФИТА БЕЗ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МОДИФИКАТОРОВ С МАГНИЕМ И РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ.

5.1 Опытно-промышленные исследования влияния химического состава и модифицирования на механические свойства и структуру отливок из высокопрочного чугуна, получаемого на производстве.

5.2 Экспериментальные исследования по получению в лабораторных условиях чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом без магния и редкоземельных элементов.

5.3 Опытно-промышленные исследования по получению чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом с использованием силикокальция и силикобария.

5.4 Опытно-промышленные исследования влияния термообработки на микроструктуру и механические свойства отливок из чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом.

5.5 Выводы.

5.6 Расчет ожидаемого экономического эффекта от внедрения научноисследовательской работы.

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

Отливки из чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом в настоящее время получают модифицированием расплава чугуна модификаторами с магнием и редкоземельными элементами, применение которых сопровождается пироэффектом и дымовыделением, ухудшающими санитарные и экологические условия окружающей среды.

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 в расплаве чугуна и их взаимодействия с расплавом.

Существует несколько гипотез о природе центров кристаллизации графита в чугуне и условий образования в нем различных форм графита. В последнее время обсуждаются теории гетерогенного зароды шеобразования и формообразования графита на различных типах неметаллических включений в расплаве чугуна.

Поэтому актуальной проблемой для теории и практики получения отливок из чугуна является изучение природы центров кристаллизации графита в его расплаве и разработка на этой основе экологически чистых способов получения чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом без использования модификаторов с магнием и редкоземельными элементами.

Цель работы - получение микроструктуры чугуна с компактной формой графита с использованием силикокальция и силикобария на основе исследования природы центров его кристаллизации в расплаве чугуна.

Задачи исследования:

1. Экспериментальное изучение природы центров кристаллизации графита в чугуне.

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

3. Исследование направленности влияния элементов на микроструктуру чугуна на основе электронного строения их атомов.

4. Разработка экологически чистого процесса получения чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом без использования модификаторов с магнием и редкоземельными элементами на основе изучения природы центров кристаллизации графита в чугуне и исследования направленности влияния элементов на микроструктуру чугуна.

5. Проведение исследований по выявлению влияния термообработки на количество перлита, феррита и бейнита в отливках из чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом, полученных с использованием силикокальция и силикобария.

Методы исследования. Основные результаты работы получены на основе экспериментальных исследований с помощью микрорентгеноспектрального анализа микроструктуры чугунов с различной формой графита, модифицирования расплава чугуна, термообработки 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.

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

Научная новизна: на основе экспериментальных исследований с помощью микрорентгеноспектрального анализа микроструктуры чугуна с различной формой графита, модифицирования расплава чугуна графитом и ферросилицием, усвоения науглероживателя в расплаве синтетического чугуна и влияния типа шихтовых материалов на графитную фазу в отливках установлено, что центрами кристаллизации графита в расплаве промышленного чугуна при невысоком его перегреве являются попадающие из шихты и недорастворившиеся в расплаве включения графита, а не имеющиеся в нем оксисульфидные и оксидные неметаллические включения; установлена связь величины стандартных значений изобарно-изотермических потенциалов образования оксидов, сульфидов, нитридов, карбидов с величиной суммарного значения потенциалов ионизации валентных электронов атомов (£1в)> по которому можно оценивать порядок протекания физико-химических реакций в расплаве чугуна и тем самым определять направленность влияния элементов на микроструктуру чугуна и на взаимосвязь их с центрами кристаллизации графита, определяющую формообразование включений графита в чугуне; на основе анализа значений элементов установлено, что Ва и Са имеют низкие значения и поэтому обладают повышенным сродством к поверхностно-активным примесям расплава чугуна, в силу чего могут быть использованы в модификаторах для получения чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Данные экспериментальных исследований природы центров кристаллизации графита в расплаве чугуна 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 магнием и редкоземельными элементами и с различной металлической матрицей путем термообработки.

Практическая значимость и реализация результатов работы: на научной основе разработан экологически чистый способ получения высокопрочного чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом без использования модификаторов с магнием и редкоземельными элементами с помощью модифицирования расплава выпускающими промышленностью силикокальцием и силикобарием; разработаны методы получения в отливках из чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом заданного количества перлита, феррита, бейнита путем термообработки.

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-преподавательского состава (Брянск, 2008г.).

Внедрение результатов. Способ получения отливок с шаровидной и вермикулярной формой графита без использования модификаторов с магнием и редкоземельными элементами прошел промышленное опробование на ЗАО «УК «БМЗ», на что имеется акт внедрения.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, 3 из которых в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5-ти глав, основных выводов, списка использованной литературы из 101 наименования. Она содержит 104 страницы, 41 рисунок, 11 таблиц и приложение.

5.5 Выводы

1. Для предотвращения образования ПГ и графитной спели в структуре отливок из ВЧ необходимо не допускать повышенный расход модификатора и одновременное высокое содержание С и Si в чугуне. Чугун перед модифицированием должен иметь менее 2% Si. Для улучшения усвоения Mg модификатора, температуру слива чугуна из печи рекомендуется поддерживать на уровне 1450-1470° С. Расход модификатора необходимо поддерживать оптимальным, зависящим от содержания S в чугуне перед сливом его из печи, и массы металла. Содержание в чугуне Mg0Cr должно быть не менее 0,04%, а в изломе приливного образца должна отсутствовать тёмная область. Для дальнейших исследований рекомендуется: а) приливные образцы должны соответствовать толщине стенки отливки; б) перейти на новое модифицирование - СК30, ФСБаЗО.

2. Исследованиями установлено, что при введении в расплав чугуна менее 1,5% от его массы модифицирующей смеси 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 тому же эффекту из—за "перемодифицирования" расплава чугуна.

3. Получение чугуна с вермикулярным графитом без использования магния и РЗМ, что исключает вредное дымовыделение и пироэффект и тем самым способствует улучшению санитарно-гигиенических условий труда и снижению загрязнения внешней среды; снижение стоимости отливок из—за использования дешевых материалов для обработки и модифицирования расплава чугуна; получают отливки с высокими механическими свойства из-за получения в структуре высокого содержания вермикулярного графита; применение широкодоступных и недефицитных материалов.

Проведенные исследования показали, что применяя модификаторы в частности ФСБаЗО и СКЗО в определенном количестве и определенном их соотношении можно получить ВЧ с ШГ и ВГ марок ВЧ 40, ВЧ 50, без применения модификаторов, содержащих Mg, Се, У. Разработанное модифицирование в отличие от традиционного не приводит к пироэффекту и дымовыделению, что является экологически чистым и более дешевым производством получения ВЧ с ШГ и ВГ.

Снижение расхода силикобария менее 0,7 % или повышение его расхода свыше 1,2 % снижает механические свойства чугуна. Наилучшие свойства чугуна достигаются при обработки расплава чугуна в печи силикокальцием и модифицировании его в ковше силикобарием.

5.6 Расчет ожидаемого экономического эффекта от внедрения научно-исследовательской работы

Эффективность производства основывается на оптимизации используемых технологических процессов и организации производства, позволяющей снизить постоянные и переменные затраты производства.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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

1. Проведенные микрорентгеноспектральные исследования микроструктуры чугуна, анализ литературных данных рентгеноструктурных исследований расплава чугуна, экспериментальные данные, полученные из разных шихт, с использованием разных модификаторов, показали, что центрами кристаллизации графита в расплаве промышленного чугуна являются попадающие из шихты и находящиеся в нём его микровключения, а не оксисульфидные и оксидные неметаллические включения.

2. На основе теоретических исследований установлена связь стандартных значений изобарно-изотермических потенциалов (-AG°298) образования элементами оксидов, сульфидов, нитридов, карбидов с величиной суммарного значения потенциалов ионизации валентных электронов их атомов (£1в), которая определяет направленность химических реакций. По значению элементов можно судить о прочности и типе образуемых ими соединений в чугуне, что может служить количественной характеристикой влияния элементов на физические свойства расплава чугуна и его микроструктуру.

3. Анализ связи -AG°298 элементов со значением £Тв показал, что наиболее сильно его повышают Ва и Са с очень низкими значениями поэтому они могут служить эффективными элементами в модификаторах, очищающих расплав от примесей.

4. Разработан 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 % шаровидного и до 80 % вермикулярного графита с пределом прочности ов = 372-485 МПа и твердости НВ = 191-238 кг/мм2 без использования модификаторов с магнием и редкоземельными элементами, что соответствует маркам чугуна ЧВГ35 - ЧВГ45 ГОСТ 28394-89.

5. Разработаны способы получения в отливках из чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом заданного количества перлита, феррита, бейнита путем термообработки.

6. Результаты опытно—промышленных исследований на предприятии ЗАО «УК «БМЗ» показали, что такая технология позволяет в производственных условиях получать экологически чистым способом чугун с шаровидным и вермикулярным графитом в любых отраслях промышленности, при этом обеспечивается снижение себестоимости 1 т. жидкого металла на 22 %, что подтверждается актом внедрения.

1. Литовка, В.И. Повышение качества высокопрочного чугуна в отливках Текст. / В.И. Литовка. — Киев: Наукова думка. 1987. - 205 с.

2. Чугуны с шаровидным и вермикулярным графитом и аустенито -бейнитной матрицей Текст. М.: Инженерно - технологический центр машиностроения «Металлург». - 2004. - 440 с.

3. Красовский, А.Я. Трещиностойкость высокопрочных чугунов с шаровидным графитом Текст. / А .Я. Красовский, В.В. Калайда, И.В. Крамаренко// Пробл. прочности. 1984. - № 8. - С. 44—50.

4. Красовский, В.Н. Влияние микроструктуры и содержания марганца на механические свойства чугунов с шаровидным графитом Текст. / А.Я. Красовский, А.Я. Руденко, В.И. Литовка// Пробл. прочности. 1984. - № 7. - С. 1-72.

5. Рыжиков, А.Л. Структура и свойства чугуна с шаровидным графитом, обработанного комплексными модификаторами Текст. / А.Л. Рыжиков, А.С. Кузнецов, Ю.И. Роматовский; под ред. А.А. Горшкова. Киев. - 1971. - 288 с.

6. Гиршович, Н.Г. Кристаллизация и свойства чугуна в отливках Текст. / Н.Г. Гиршович. М.; Л.: Машиностроение. - 1966. - 562 с.

7. Манн, И. Динамическая вязкость разрушения Текст. / И. Манн, М. Гольцман, Б. Влах// Метод испытания и оценки. Брно: УФМ. - 1985. - 2 с.

8. Косников, Г.А. Характеристика разрушения модифицированного чугуна Текст. / Г.А. Косников. М. - 1977. - С. 13 - 18.

9. Софуэ, М. Влияние параметров микроструктуры на усталостную прочность литейного чугуна с шаровидным графитом Текст. / М. Софуэ и др.// Имоно. 1981. - № 11. - С. 53.

10. Окумото Т. Зависимость между твердостью и усталостной прочностью чугуна с шаровидным графитом Текст. / Т. Окумото и др.// Имоно. 1974.-№4.-46.

11. Красовский, А. Я. Прочность и трещиностойкость чугунов с шаровидным графитом Текст. / А.Я. Красовский, В.В. Калайда; Отв. ред. Ковпак В.И. Ин-т пробл. прочности. Киев: Наукова думка. — 1989. — 136 с.

12. Скаланд, Т. Механизмы зародышеобразования в высокопрочном чугуне Текст. / Т. Скаланд; Elkem ASA, Foundry Products. Норвегия. - 2006. -С. 5 - 24.

13. Бунин, К. П. Основы металлографии чугуна Текст. / К.П. Бунин, Я.Н. Малиночка, Ю.Н. Таран. М.: Металлургия. - 1969. - 414 с.

14. Бунин, К. П. Строение чугуна Текст. / К.П. Бунин, Ю.Н. Таран М.: Металлургия. - 1972. - 170 с.

15. Пивоварский, Е. Высококачественный чугун Текст. / Е. Пивоварский. М.: Металлургия. — 1965. — 1250 с.

16. Захарченко, Э. В. Отливки из чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом Текст. / Э.В. Захарченко, Ю.Н. Левченко, В.Г. Горенко, П.А. Вареник. Киев: Наукова думка. - 1986. - 248 с.

17. Таран, Ю. Н. Структура эвтектических сплавов Текст. / Ю.Н. Таран,

18. B.И. Мазур М.: Металлургия. - 1978. - 312 с.

19. Елютин, О. П. Сплавы с аморфной структурой Текст. / О.П. Елютин// Металловедение и термическая обработка металлов. — 1980. — № 8. —1. C. 28-31.

20. Конверистый, Ю. К. Аморфные металлические сплавы Текст. / Ю.К. Конверистый// Металловедение и термическая обработка металлов. -1983.-№ 9.-С. 2-9.

21. Мирошниченко, И. С. Закалка из жидкого состояния Текст. / И.С. Мирошниченко. М.: Металлургия. - 1982. - 168 с.

22. Дроздова, М. А. Ближний порядок в аморфных сплавах на основе железа Текст. / М.А. Дроздова, А.Н. Желнов, А.Н. Прокошин// Металловедение и термическая обработка металлов. — 1983. — № 9. — С. 9 — 11.

23. Мельник, Б. А. Рентгенографическое исследование структуры чугуна, полученного при сверхбольших скоростях охлаждения Текст. / Б.А. Мельник// Металловедение и термическая обработка металлов. — 1983. — № 9. -С. 12-14.

24. Залкин, В. М. О строении жидких чугунов Текст. / В.М. Залкин// Литейное производство.-1984.-№8.-С. 5-7.

25. Самарин, А. М. О структуре и свойствах металлических расплавов Текст. / A.M. Самарин// Изв. АН СССР. 1967. - № 3. - С. 93 - 115.

26. Клименков, Е. А. Влияние примесей углерода и кислорода на электросопроивление железа при высоких температурах Текст. / Е.А. Клименков, Г.В. Тягунов, Е.Б. Баум, В.Н. Епин// Изв. АН СССР. 1983. - № 3. -С. 32-37.

27. Вертман, А. А. Плотность расплавов железа с углеродом в твёрдом и жидком состоянии Текст. / А.А. Вертман, Е.С. Филиппов, А.Н. Самарин// Изв. вузов. Чёрная металлургия. 1964. - № 7. - С. 17-23.

28. Волощенко, М. В. О состоянии углерода в жидком чугуне Текст. / М.В. Волощенко, А.С. Лашко, О.И. Слуховский, В.Д. Краля// Литейное производство. 1976. - № 2. - С. 5 - 7.

29. Мельник, Б. А. Рентгенографические исследования структуры жидкого чугуна Текст. / Б.А. Мельник// Изв. АН СССР. Металлы. 1981 - № 6.-С. 52-54.

30. Гаврилин, И. В. Распределение углерода в жидком чугуне Текст. / И.В. Гаврилин// Литейное производство. 1982. - № 4. - С. 2 - 4.

31. Справочник по чугунному литью Текст. / под. ред. Гиршовича Н.Г. -Л.: Машиностроение. 1978. - 758 с.

32. Жуков, А. А. Износостойкие отливки из комплексно-легированных белых чугунов Текст. / А.А. Жуков, Г.И. Сильман, М.С. Фролыдов- М.: Машиностроение, 1984- 103 с.

33. Григорович, В. К. Периодический закон Менделеева и электронное строение металлов Текст. / В.К. Григорович. М.: Наука — 1966. - 268 с.

34. Жуков, А. А. Термодинамические основы графитизации серого чугуна Текст. / А.А. Жуков// Изв. вузов. Чёрная металлургия. 1966. -№11.-С. 142-146.- 1968.- №1.- С. 124-127.

35. Жуков, А. А. О субмикрогетерогенности строения жидкого чугуна Текст. / А.А. Жуков, P.JI. Снежной, Н.Г. Гиршович, С.В. Давыдов// Литейное производство. 1980. - №6. - С.3-4.

36. Александров, Н. Н. Отливки из чугуна и основные пути улучшения их качества Текст. / Н.Н. Александров// Литейное производство. — 1977. -№11. -С. 20-22.

37. Захарченко, Э. В. Влияние пограничной вязкости на скорость всплывания графитных частиц в чугуне Текст. / Э.В. Захарченко, Э.П. Акимов, И.П. Захарченко// Литейное производство. 1978. - №9. - С.3-4.

38. Александров, Н. Н. Совершенствование модификаторов и свойств отливок из чугуна Текст. / Н.Н. Александров, Б.С. Мильман// Литейное производство. 1980. - № 1. - С. 12-13.

39. Островский, О. И. Физические свойства расплавов Fe-C-Si Текст. / О.И. Островский, В.М. Попов, Г.Д. Анюшина, B.C. Вьюнов, Л.Б. Коган// Литейное производство. 1981. - №3. - С.2-3.

40. Вашуков, И. А. Структурообразование при формировании отливок из нелегированных и легированных чугунов Текст. / И.А. Вашуков// Литейное производство. 1978. - №2. - С.4-5

41. Давыдов, С. В. Структура и свойства синтетического чугуна, легированного сурьмой Текст. / С.В. Давыдов, И.К. Кульбовский// Изв. вузов. Чёрная металлургия. 1983. - №7. - С. 118-122.

42. Сильман, Г. И. Оценка влияния легирующих элементов на структурообразование в чугунах в равновесных и неравновесных условиях Текст. / Г.И. Сильман, А.А. Жуков, Ю.В. Жаровонков// Днепропетровск: ДГУ. 1983.-241 с.

43. Жуков, А. А. Электронное строение металлов и сплавов и термодинамика структурообразования Текст. / А.А. Жуков// Металловедение и термическая обработка металлов. 1978. - №8. — С. 31—36.

44. Ланда, А. Ф. Основы получения чугуна повышенного качества Текст. / А.Ф. Ланда. М.: Машгиз. - 1960. - 273 с.

45. Григорович, В. К. Электронное строение и термодинамика сплавов железа Текст. / В.К. Григорович. М.: Наука. - 1970. - 372 с.

46. Жуков, А.А. Электронное строение компонентов графитизирующихся систем Текст. / А.А. Жуков// Металловедение и термическая обработка металлов. 1987. - №1. - С. 7—14.

47. Кристиан, Дж. Теория превращения в металлах и сплавах Текст. / Дж. Кристиан. М.: Мир. - 1978. - 870 с.

48. Сидоренко, Р. А. О механизме влияния поверхностно-активных элементов на форму графита в чугуне Текст. / Р. А. Сидоренко // Изв. АН СССР. Металлы. 1967. -№ 2. - С. 138-146.

49. Любченко, А. П. Высокопрочные чугуны Текст. / А. П. Любченко. -М.: Металлургия. 1982. - 120 с.

50. Мильман Б. С. Межфазное натяжение и форма графита, кристаллизующегося в жидком чугуне Текст. / Б. С. Мильман, Н. Н. Александров, В. Т. Соленков// Литейное производство. — 1976. -№ 5. С. 3-6.

51. Кошовник, Г. И. Повышение эффективности литейного производства и качества литья Текст. / Г. И. Кошовник, М. К. Высоцкая. Тез. докл. Орджоникидзе. - 1985. - С. 36 - 37.

52. Dhindaw, В. Текст. / Metal Trans. 1980. - V. 11 А - P. 1049-1057.

53. Сытник, Н. М. К вопросу о сфероидизации графита Текст. / Н. М. Сытник, В. Н. Лиханов, Ю. Ф. Гарунов// Литейное производство. 1983. - № 12.-С. 8-9.

54. Козлов, Л. Я. Механизм сфероидизации графита Текст. / Л. Я. Козлов, А. П. Воробьёв// Литейное производство. 1991. - № 2. - С. 3-5.

55. Воробьев, А. П. Влияние церия и иттрия на коэффициент диффузии углерода в расплаве Текст. / А. П. Воробьев// Изв. вузов. Черная металлургия.- 1989.-№9.-С. 156-157.

56. Лепинских, Б. М. Диффузия элементов в жидких металлах группы железа Текст. / Б. М. Лепинских, А. П. Кайбичев, Ю. А. Савельев. М.: Наука.- 1974. 192 с.

57. Михайлов, А. М. О механизме и движущих, силах сфероидизации графита Текст. / А. М. Михайлов, А. П. Воробьев// Изв. вузов. Черная металлургия. 1988. - № 11. - С. 104-111.

58. Воробьев, А. П. Влияние вибрации на форму графита в чугуне Текст. / А. П. Воробьев, X. Ракутубе// Изв. вузов. Черная металлургия. 1990. - № 3. -С. 110-111.

59. Никитин, В.И. Наследственность в литых сплавах Текст. / В.И. Никитин. Самара: СамГТУ. - 1995. - 246 с.

60. Chida, А. th Intemat. Foundry «Congress» Kyoto. October, 1988.

61. Вареник, П. А. К вопросу о влиянии демодификаторов на форму графита в магниевом чугуне Текст. / П.А. Вареник. Киев: ИПЛ АН УССР, 1974.-420 с.

62. Крестьянов, В. И. Структурная наследственность при получении отливок из ЧШГ Текст. / В.И. Крестьянов// Литейное производство. 1999. -№1. — С. 18-20.

63. Крестьянов, В. И. О некоторых условиях получения ЧШГ с высоким комплексом механических свойств в литом состоянии Текст. / В.И. Крестьянов// Литейное производство. 1998. - №11. - С. 7 - 8.

64. Попель, П. С. Тез.докл. VI Междунар. конф. "Генная инженерия в сплавах". Самара. — 1998. - С. 56.

65. Кульбовский, И. К. О связи структуры отливок и строения расплава чугуна Текст. / И.К. Кульбовский// Литейное производство. 1986. — № 10. — С. 4-7.

66. Кульбовский, И. К. Влияние химического состава, температуры нагрева и времени выдержки на поверхностное натяжение расплава чугуна Текст. / И.К. Кульбовский// Известия вузов. Черная металлургия. — 1992. № 9.-С. 1 -4.

67. Лившиц, Б. Г. Металлография Текст. / Б.Г. Лившиц. М: Металлургия. - 1971. - 408 с.

68. Свойства конструкционных материалов на основе углерода: Справочник Текст. / Под ред. В.П. Соседова. М.: Металлургия. 1975. — 336 с.

69. Козлова, О. Г. Рост и морфология кристаллов Текст. / О.Г. Козлова.- М.: Изд. Мое. университета. 1980. — 368 с.

70. Хуснутдинов, Г. Д. К вопросу о формообразовании графита в чугуне Текст. / Г.Д. Хуснутдинов, А.В. Черновол. Киев: ИПЛ АН УССР. - 1983. -141 с.

71. Шумихин, В. С. Высококачественные чугуны для отливок Текст. / B.C. Шумихин, В.П. Кутухов, А.И. Храмченков. -М.: Машиностроение. 1982.- 222 с.

72. Сидоренко, Р. А. Влияние скорости охлаждение на форму графита в чугуне Текст. / Р.А. Сидоренко, В.И. Череменский, М.Д. Харчук// Литейное производство. 1977. - № 10. - С 10-14.

73. Сидоренко, Р. А. Механизм действия сфероидизаторов графита при затвердевании чугуна Текст. / Р.А. Сидоренко, В.И. Череменский, М.Д. Харчук// Известия АН СССР. Металлы. 1974.-№ 1.-С 64-68.

74. Чугун: справочник Текст. / А.Д. Шермана, А.А. Жукова, Э.В. Абдуллаев, И.О. Пахнущий; под. ред. А.Д. Шермана, А.А. Жукова. М.: Металлургия: - 1991. - 576 с.

75. Roh rig, К. Zwischenstufenvergfltetes Gusseisen mit Kugelgraphit Текст. / Giesserei Rundschau. - 1983. - No 4. - S. 19-35.

76. Ikhlef, A. Evolution structurales de fontes G. S. au cours de differents types de traitements thermiques Текст. / Hommes et Fonderie. 1982. - No 121. — P. 9-22.

77. Свойства элементов. Физические свойства Текст. Справочник. В двух частях. Ч. 1./ Под ред. Г.В. Самсонова 2-е изд. М.: Металлургия. - 1976. -598 с.

78. Pan, Е. Н. Analisis of the solidifications process of compacted Vermicular graphite cast iron. Текст. G. iron or not S. - G. iron - Foundry Trade J. - 1983. -№3273.-P. 391-392.

79. Кульбовский, И. К. Угар элементов при выплавке синтетического чугуна в индукционных электропечах Текст. / И.К. Кульбовский// Изв. вузов. Чёрная металлургия. 1987. - №9. - С. 99 - 101.

80. Кульбовский, И.К. Природа центров кристаллизации графита в расплаве чугуна Текст. / И.К. Кульбовский, А.Н. Поддубный, Р.А. Богданов //

81. Тезисы докладов 58-й научной конференции профес.-преподав. состава / Под ред. С.П. Сазонова, И.В. Говорова. Брянск: БГТУ, 2008. - С. 142-144.

82. Жуховицкий, А. А. Физико химические основы металлургических процессов Текст. / А.А. Жуховицкий. -М.: Металлургия. - 1973. - 391 с

83. Филиппов, С. И. Теория металлургических процессов Текст. / С.И. Филиппов. М.: Металлургия. - 1967. - 278 с.

84. Косников, Г. А. Особенности разрушения комплексно -модифицированных чугунов с шаровидным графитом Текст. / Г.А. Косников, О.Н. Магницкий, Н.И. Щеглюк// Литейное производство. 1979. - №6. - С. 4 — 5.

85. Шебатинов, М. П. Роль модификатора в процессе формирования включений графита шаровидной формы Текст. / М.П. Шебатинов// Литейное производство. 1979. - №1. - С. 2 - 4.

86. Епанчинцев, О. Т. О роли графитных включений и разрушении чугуна Текст. / О.Т. Епанчинцев// Известия АН СССР, Металлы. 1976. - № 2. -С. 180-188.

87. Ивахненко, И. С. Роль сорбционных примесных элементов в процессе зарождения включений графита в чугуне Текст. / И.С. Ивахненко// Литейное производство. 1979. - № 3. - С. 2 — 4.

88. Любченко, А. П. Некоторые особенности микродиффузии и роста кристаллов графита в чугуне Текст. / А.П. Любченко// Литейное производство. 1983 - № 9. - С. 7 - 9.

89. Найдич, Ю. В. Контактные явления в металлических расплавах Текст. / Ю.В. Найдич. Киев: Наукова думка. - 1972. - 196 с.

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

91. Рипозан, И. Центры кристаллизации графита в серых чугунах. Текст. / И. Рипозан, М. Чизамера, Т. Скаланд, М.И. Онсойен // Elkem ASA, Foundry Products 2006. - С. 24 - 37.

92. Кульбовский, И. К. Влияние термовременной обработки и шихтовых материалов на природу центров кристаллизации графита в расплаве чугуна Текст. / И.К. Кульбовский., А.Н. Поддубный, Р.А. Богданов// Литейщик России.- 2008.- №6.- С. 33-36.

93. Кульбовский, И. К. Влияние химического состава на свойства и структуру высокопрочного чугуна Текст. / И.К. Кульбовский, А.Н. Поддубный, Р.А. Богданов, С.В. Булдин // Заготовительные производства в машиностроении. 2007. - №5. — С. 11-13.

94. Кульбовский, И. К. Получения чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом без применения магнийсодержащих модификаторов Текст. / И.К. Кульбовский., А.Н. Поддубный, Р.А. Богданов // Литейное производство 2007. №2 - С. 7-9.

95. Кульбовский, И. К. Исследования влияния кальция и бария на образование в чугуне шаровидного графита Текст. / И.К. Кульбовский, А.Н. Поддубный, Р.А. Богданов, СВ. Булдин // Металлургия машиностроения. — 2007.-№2.-С. 20-22.

96. Кульбовский, И. К. Роль микропримесей в формировании структуры графита в чугуне Текст. / И.К. Кульбовский, Р.А. Богданов // Литейщик России. -2006. №12. - С. 31 - 34.

97. Новиков, И. И. Теория термической обработки металлов Текст. / И.И. Новиков. М.: Металлургия. - 1986. - 480 с.