автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Исследование конструкционных низкоалюминиевых чугунов с компактным графитом и разработка технологии их получения для фасонных отливок

ч'"/ На правах рукописи

■Л, N

КАЗАКЕВИЧ Андрей Генрихович

ИССЛЕДОВАНИЕ КОНСТРУКЦИОННЫХ НИЗКОАЛЮМИНИЕВЫХ ЧУГУНОВ С КОМПАКТНЫМ ГРАФИТОМ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ФАСОННЫХ ОТЛИВОК

Специальность: 05.16.04 - Литвинов производство

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1997

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном техническом университете (СПбГТУ).

Научный руководитель: доктор техн, наук, проф. КОСНИКОВ Г. А.

Официальные оппоненты:

доктор техн. наук, профессор О.Н.МАГНИЦКИЙ

кандидат технических наук С.С.ТКАЧЕНКО

Ведущая организация: ЦНИИ Материалов (С.-Петербург)

заседании диссертацион ,, 3.38.08 при СПбГТУ по

адресу. 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29, хим. корпус, ауд.51.

Отзывы об автореферате, заверенные печатью организации, просим направлять на имя ученого секретаря.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГТУ.

Автореферат разослан •19• I 1997 г.

Защита состоится

1997 г. в 16 часов на

Ученый секретарь

диссертационного совета, доктор техн. наук, проф.:

Г.Е.Коджаспиров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. В работах отечественных (H.H. Александрова. Н.И.Клочнева; Ю.Г. Бобро, Н.Г.Гиршовича, A.A. Жукова, Б.Л. Кузнецова) и зарубежных А. де Си, М. Цекро, М. Вольфганга, Ш.Дефранка и др.) исследователей низкоалюминиевые чугуны (НАЧ) рассматривались как перспективный конструкционный материал, обладающий рядом преимуществ по сравнению с чугунами системы Fe-C-Si: меньшим удельным весом, повышенной кавитационной стойкостью, антифрикционными свойствами, коррозионной стойкостью, износостойкостью, жаростойкостью, жаропрочностью и сопротивлением термическим ударам. Уровень большинства положительных свойств, в первую очередь механических, возрастает по мере перехода от пластинчатой формы графитных включений к шаровидной. Несмотря на разработанные рядом авторов рекомендации по применению НАЧ для получения конкретной номенклатуры литых деталей, эти чугуны до сих пор не нашли практического применения при изготовлении фасонных отливок общего и специального назначения. Одними из основных причин такого положения являются: 1) отсутствие количественных зависимостей, позволяющих выбирать химический состав НАЧ, технологию модифицирования и рафинирования в зависимости от скорости охлаждения отливки в форме; 2) неоднозначность рекомендаций по выбору технологии плавки, составов модификаторов, методов модифицирования; 3) отсутствие обоснований выбора методов фильтрации расплава и недостаточность данных по исследованию процессов, протекающих при фильтрационном рафинировании расплава НАЧ; 4) недостаточность данных о процессах формирования неметаллических включений и итерметаллидов в НАЧ: 5) недостаточная обоснованность рекомендаций по ограничению максимального содержания алюминия, не учитывающих влияние скорости охлаждения отливки в форме на структуру и :зойства НАЧ. Данная работа выполнена с учетом необходимости устранения вышеизложенных причин, сдерживающих промышленное применение НАЧ, что и предопределяет актуальность ее темы: выполнение задач основано на договоренностях с АО КАМАЗ" по выявлению возможности применения НАЧ и в развитие федеральной программы по разработке и применению аустенитно-бейнитных чугунов с шаровидным графитом в автомобилестроении. Цель работы. Исследование процессов формирования структуры и свойств НАЧ в зависимости от химического состава, метал-

пургических и технологических факторов и разработка технологии получения НАЧ для изготовления фасонных отливок. Для ее достижения сформулированы и решены следующие основные задачи: 1.Исследование влияния А1 на структуру и свойства НАЧ в зависимости от скорости охлаждения отливки в форме при базовом варианте модифицирования. 2. Исследование влияния типа и состава сфероидизирующих и графитизи-рующих модификаторов, а также метода модифицирования на структуру и свойства НАЧ базового состава при различных скоростях охлаждения отливки в форме.

3. Исследование процессов, обеспечивающих рафинирование расплавов НАЧ и разработка методов расчета фильтров. 4.Расширение возможностей металлографического анализа при оценке структуры неметаллических включений и интерметаллидов в НАЧ. 5. Разработка структурных диаграмм, позволяющих выбирать технологические параметры процесса получения НАЧ с заданной структурой. Научная новизна. 1. Выявлены закономерности влияния алюминия, параметров модифицирования и скорости охлаждения на структуру и механические свойства низкоалюминиевых чугунов с компактным графитом (НАЧКГ). 2. Разработаны в виде системы регрессионных уравнений математические модели влияния металлургических и технологических факторов на структуру и механические свойства данных чугунов; эти модели определяют условия стабилизации процессов получения НАЧКГ для фасонных отливок с различными толщинами стенок. 3. Исследованы процессы фильтрационной и сорбционной очистки расплавов НАЧ от неметаллических включений, обоснованы целесообразность и условия применения графитовых фильтров с расчетными параметрами.

4. Идентифицированы и классифицированы разновидности неметаллических включений и интерметаллидов в НАЧКГ. 5. Выявлены особенности влияния состава покровных флюсов на состояние исследованных расплавов и отливок. 6. Дополнены методики металлографического определения количеств А1, его соединений и включений в НАЧКГ. Практическая ценность. Разработаны диаграммы, позволяющие выбирать основные технологические параметры процессов получения НАЧКГ для производства фасонных отливок, а также технология их получения при различных толщинах стенок. Разработана методика расчета графитовых фильтров. Совместно с кафедрой общей химии В8МИА им. Дзержинского получены сравнительные данные о коррозионной стойкости НАЧКГ в морской воде, позволяющие обосновать необходимость даль-

нейших работ по использованию НАЧКГ в системах транспортировки забортной воды надводных судов. Выработаны рекомендации по ведению сорбционной очистки расплавов НАЧ на графитных фильтрах. Выявлены условия формирования ИМВ и НМВ. определено их совместное влияние на механические свойства НАЧКГ. Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на Третьем съезде литейщиков России (19-22 мая1997г.Владимир), а также на Междунар. научно-техн. конфер. "Высокие технологии в современном материаловедении" (27-28 мая 1997г.. г.Санкт-Петербург). Публикации. По теме диссертации опубликовано 2 статьи и 2 тезиса докладов на конференциях. Объем и структура диссертации Работа изложена на 196 страницах, состоит из введения, б глав, общих выводов, списка лит. источников, включающего 79 наименований, и приложений; содержит 9 рисунков и 18 таблиц на 36 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается необходимость постановки работы, приводятся сведения о значимости объема исследования для промышленных целей и о прикладном значении фундаментальных исследований свойств и методов обработки материала как в состоянии расплава, так и в получаемых отливках различной приведенной толщины. Определены основные научные положения, защищаемые з диссертации.

В обзоре состояния вопроса обсуждена актуальность темы, изложены цели и задачи, планируемые для осуществления в диссертационной работе. Критически проанализированы отечественные и зарубежные данные о влиянии алюминия на структуру и свойства чугуна, областях применения НАЧКГ. Проведено сравнение свойств НАЧ с особыми свойствами высокоалюминиевых графитизированных чугунов и высокопрочных чугунов с шаровидным графитом и выделены преимущества НАЧКГ и резервы взаимозаменяемости этих материалов в отливках промышленного назначения с учетом специальных свойств. Оценены перспективы использования НАЧКГ как конструкционного материала, в том числе для тонкостенного фасонного литья, исходя из выводов предыдущих исследователей о тенденциях а изменении механических свойств НАЧ различных классов при каждом из видов графитных включений. Анализ литературных данных показал, что по вопросам оптимизации технологических режимов ведения плавильных процессов, химического состава и количеств покровных флюсов для защиты расплавов НАЧ от окисления, методики введения алюминия, количеств и сос-

тавов сфероидизирующих модификаторов, способов модифицирования, значений механических и литейных свойств, влияния условий охлаждения на структуру и свойства НАЧ, предотвращения образования включений и их компактизации, ряду других важнейших вопросов нет единого мнения. Обсуждено влияние физико-химических факторов, участвующих в формировании процессов, которые определяют характер реакций между компонентами в расплавах НАЧ и степени их усвоения; преобразования структур расплавов и получение в связи с этим ожидаемых структур НАЧКГ анализируются с позиций влияния электромагнитных полей электродуговых и индукционных плавильных агрегатов, термодинамики, взаимодействий электронных и внутриатомных структур элементов в составах НАЧ, в том числе на стабилизацию самих составов, Многие данные противоречат друг другу, что объясняется, по-видимому, фрагментарностью отдельных исследований, не учитывающих, в частности, существенного влияния кине тических факторов, в первую очередь, скорости охлаждения отливки в форме. Для решения вопроса об упрочнении А1-содержащих сплавов автором данной работы ранее предложен способ химической нейтрализации плен е-А1201 в расплавах АМг и АМи с целью упрочнения и придания им работоспособности в режимах термомеханических нагружений. На основании выводов из этих работ предлагаются варианты опробования тех же методов очистки НАЧ от НМВ. Выявлены границы применимости математических моделей определения количества плен для НАЧ в зависимости от составов, систем и количеств модификаторов. Прогнозирование работоспособности получаемых отливок возможно при учете следствия из критерия долговечности материалов С.Н.Журкова, ранее использованного при изучении свойств А1-Си-сплавов. Определены методы контроля и условия изменения химсоставов исследуемого расплава НАЧ. В связи с указанным в представляемой работе поставлены и решены сформулированные выше основные задачи.

Методика исследований. Исследовались чугуны, содержащие 2...3,5% С, 0,8... 1% 1,5...5,5% А1, 0,2—0,5% Мп, до 0,1% Р и Б. В качестве шихты использован переплав Ст 3, электродный бой, кусковой алюминий марки А7 в виде нарезанных пластин или слитков малых размеров. Сфероидизирующее модифицирование осуществляли е ковше, в печи - с помощью "колокольчика" и внутри сырой песчано-глинистой формы (ПГФ), используя модификаторы: №Мд15 Се, №Мд10, №Мд15, РеСе40, ФЦМ5, ФСМгБ ФС75. При введении модификатора каждого типа исходили из необходимости введе-

ния адекватных (равных) количеств Mg, Се и иных РЗМ, содержащихся в модификаторах. Плавки проводились в индукционных плавильных печах мощностью 62 кВт при аместимостях агрегатов 10 и 60 кг. В ходе исследований температура перегрева изме-нялалась в пределах 1420...1500ЙС. заливки - 1380... 1480°С. ввода алюминия - 1450... 1480°С, модифицирования - 1400...1480°С. Предварительно подогретые до 90...100°С куски алюминия вводили в расплав под слой покровного флюса, состоящего из CaFî, CaCOj и древесного угля (С,): дисперсность смесей доводилась до фракций 0.5...2 мм. Кривые охлаждения отливок в формах снимали с помощью автоматизированной многоточечной установки для дифференциально-термического анализа, состоящей из 8-термопарного электронного блока приема и преобразования термоэлектрических сигналов и коммутируемой с ним ПЭВМ IBM/PC 486 для записи диаграмм, что позволило определять не только критические температуры, но и скорость охлаждения при 900°С (v9oo). Заливались цилиндрические образцы диаметрами 10...50 мм в ПГФ, а также -16...34 мм в холодные и подогреваемые кокили. Образцы для механических испытаний изготавливались из клиновых проб толщиной 15(Д15) и 25(Д25)мм. Металлографические исследования производились на оптических микроскопах МИМ-8 и ЕС МЕТАМ; определялись фактор формы (Фг). количество по площади шаровидного (ШГ), вермикулярного (ВГ), пластинчатого (ПГ) и общее количество (Sr) графита, количество включений ШГ (Nr), количество перлита (П), феррита (Ф), карбидов (К), с помощью поляризованного света и темного поля фиксировались и различались по интенсивности свечения НМВ и ИМВ. Твердость (НВ) определяли на шлифах и торцах отливок и образцов, прошедших механические испытания, по ГОСТ 24805-81. Диаметр шарового индентора -10 мм. нагрузка -1...3 т. Микротвердость фаз измерялась на ПМТ-3 по методике ГОСТ 9450-60. Временное сопротивление и относительное удлинение при растяжении определялись на образцах диаметром 10 мм. Термообработка (отжиг и нормализация) образцов производилась в печах сопротивления, для изотермической закалки дополнительно использовались соляные ванны. Жидкотекучесть измерялась ria спиральных пробах по ГОСТ 16438-70, склонность к отбелу - на клиновых пробах толщиной 10 мм. склонность к образованию усадочных раковин - на конических техно-погических пробах, трещиноустойчивость - на установке, разработанной на кафедре ФХЛСП СПбГТУ. Для исследования влияния состава флюсов на количество и распо-пожение НМВ использована методика засасывания проб расплава в кварцевые трубки

0 3...4 мм с последующей закалкой в воду.Описаны возможности использования мето-тодов проведения и оценки результатов очистки НАЧ рафинированием на предлагаемых путях развития сорбционной техники. Предложен способ количественной металлографической регистрации усвоения AI в отливках при помощи последовательного теплового травления шлифов 4%-м спиртовым раствором НЫОз, 20%-м водным раствором реактива Мураками и реактивом "Алюминон"; для калибровки проведены сравнительные измерения количеств Ai в НАЧКГ методом атомно-адсорбционной спектрометрии с атомизацией в пламени ацетилена и закиси азота на приборе Perkin-Elmer 603 после растворения навесок стружки из проб чугуна в царской водке. Развита методика определения видов включений при помощи темного поля поляризованного света оптических микроскопов и сопоставлений получаемых изображений с фотографиями НМВ и ИМВ из справочной литературы. Сравнительная оценка коррозионной стойкости в морской воде осуществлялась по методике определения стандартных электрохимических потенциалов. Статистическая обработка экспериментальных результатов и построение математических моделей в виде систем регрессионных уравнений выполнены на ПЭВМ NCR 3170 и IBM/PC 466 с помощью программного модуля Nonlinear Estimation пакета STATiSTICA и графического пакета Microcal ORIGIN. С целью установления значимости влияния структурообразования в ПГФ на формирование пристеночных газоусадочных дефектов в образцах НАЧКГ с приведенными толщинами 7,5...12,5 мм выработана методика исследования кристаллизации НАЧ при контакте с полированными кварцевыми шайбами при сифонной заливке, позволяющая с помощью прибора ЛЭФ-ЗМ изучать физические свойства поверхностей отливок. Исследование влияния состава покровных флюсов на фомирование НМВ и ИМВ в НАЧКГ. В результате выполненного термодинамического анализа характера взаимодействия компонентов шлаковых систем (Са, Na, F, С) между собой и их взаимодействия с основными компонентами расплава (AI, Si, С, Fe) выявлен необходимый диапазон варьирования состава покровного флюса: 0,5% CaF2+0,3...0,5%CaCC>3+0...0,2% Ск, обеспечивающий минимальный угар компонентов (минимальные загрязненность расплава НМВ и шлакообразование). Установлено, что порционный ввод кускового AI под шлак должен осуществляться с интервалом 0,5... 1 мин. и сменяться подогревом расплава в течение 1 мин., так как эндотермический процесс растворения алюминия создает теплопотери в 70,..100°С (при Al<6%) и возможно захолаживание за счет спе-

кания AI2O3 с Са-содержащей основой шлака на поверхности расплава. Загрузку Al

можно начинать лишь по достижении расплавом перегрева до 1450°С. Оптическая металлография позволила идентифицировать 13 видов НМВ и18 видов ИМВ. Уточнены пути их выявления и оценки, особенности формирования. Проведена классификация всех включений с описанием опознавательных характеристик в светлом и темном полях, в поляризованном свете оптического микроскопа. Наиболее представительные ИМВ и НМВ исследованы с помощью фазового анализа в характеристических излучениях на установках PHILIPS и САМЕВАХ. Представлена номенклатура НМВ: 30% из них приходится на г.-АЬОз, 25% на шпинели. 15% на комплексные оксиды, 5% на окси-тарбиды, остальное - на двухатомные соединения металлов и неметаллов, моноокси-цы и не возогнанные полуоксиды, следовые количества гидридов, газовые включения з виде пристеночных микропор. Предложены возможные пути трансформирования пихвационных зон, понижающих механические свойства чугуна в отливках, в компактные ИМВ; предотвращения образования е-А1г03 введением в расплав до 0,1 % FeT¡30 1еред самым легированием; сглаживания с помощью ИМВ негативных последствий -^однородности химсостава. При введении в печь комбинация модификаторов с 0.1% П и 0.01 %S¡ приводит к усвоению 0,03%Ti, являющегося катализатором графитизиру-ощего действия Si. При этом имеется возможность получения безотбельных фасонных отливок с dnp=2 .2,5 мм Добавка FeT¡30 приводит к образованию комплексного жсида и двух ИМВ. Среди ИМВ лидируют системы FexAiy - до 25% от общего количес-"ва. различные комбинации систем Ca-AI-Si-Fe-Mg дают до 3%. Fe-AI-РЗМ - до 2%. по Г/о приходится на Al-Si- и Fe-Si-метастабильные системы. Остальные 64% ИМВ пригодятся на соединения микровключений с основными элементами, образующиеся в результате различных физико-химических взаимодействий в расплаве. Эта категория ¡хватывает элементы 4-6 периодов, располагаемые в следующем ряду снижения час-оты обнаружения атомно-адсорбционным спектральным анализом: Сг, Mo, Ti, Со, W, /, Re. Cu, TI Та, Ge, Os, Pd. Прочие элементы встречаются еще реже ввиду того, что IX температуры кипения не превышают температуру ликвидуса чугуна или нераство->имы в Fe и оседают на футеровке печи или отделяются флотацией в шлаковых сме-;ях. Предел растворимости в расплаве НАЧ тяжелых, в том числе драгоценных, мета-шов 1,5%. Оптимальный состав флюса определен в результате анализа полученных

регрессионных уравнений изменения масс извлекаемых с поверхности расплава шлаков (Дт) и количеств НМВ и ИМВ (К> 0,7): Дт= -105,3+ехр(468,81-463,79СаР2--463,67СаСОз-463,86Ск); НМВ =1,34+16,27СаР2-24,95СаС03-Ю,52Ск--14,42СаР22+29,98СаС032- 21,36Ск2;

ИМВ=-773,59+ехр(855,42+862,08СаРг+862,07СаС03+862,08Ск). Исследование влияния алюминия, модифицирования и скорости охлаждения на структуру и свойства НАЧКГ. Исследовано влияние1,5...5,5% А1 на структуру и механичес-ские свойства НАЧКГ в зависимости от у$ос при базовом варианте ковшевого модифицирования 1,1%№Мд15Се1+0,8%ФС75. Установлена взаимосвязь скорости охлаждения (Узоо) и приведенной толщины (с1пр) для отливок в ПГФ, выявлен диапазон у90о"0,6 ...0,8 град/с, соответствующий приведенным толщинам отливок 3...6 мм и обеспечивающий наиболее благоприятное сочетание характеристик структуры графита и матрицы чугуна. Получены регрессионные уравнения (Я>0,9): у9(!о=0,24+0169с1Пр0,5+0,004с)Пр--0,16(1Пр1'5+0,03<1Пра;НВ =-1033,71+8297,05у9оо-19501,95у9оо2+19514,05У9оо3-6850,97у9оо4; К—О, 108+ехр(13,644-75,625у3оо+109,626у91Юг-45,265у9оо3); П=146,54-471 ,6у900+ +1181,91 у9оо2-1 158,1 у9оо3+395,51 у9оо4 ; Ф-58,87+576,25у9оо-1505у900г+1587,41 У9003--602,88У90О4; Фг= 2,52-9,05У9ОО+14,563У9оо2-9,31 у9ОО3+2,1У9ОО4 ; ШГ=408,53-2482,06у9оо+6070,14у9оог-6139,72у9оо3+2247,82у9оо4; 5,=7Б, 1 -402, 14у900+906, 1 7У9!Ш2-883,52У9оо3+312,74У9ОО4 .

В результате анализа совместного влияния алюминия и скорости охлаждения на структуру чугуна получены регрессионные уравнения, в частности (Я>0,9): Фг=4,98-4,71А1+6,27у9оо+1,26А12+0,09(удооА1)-10,9бУзоо2-0,11А13+6,11у9оо3. После получения массива данных и регрессионных уравнений связи исследуемых параметров были построены технологические диаграммы для выбора количеств вводимого алюминия и скоростей охлаждения отливки в форме для получения заданных или прогнозирования ожидаемых структур в отливках. Установлено, что содержание в чугуне 4,5% алюминия позволяет получать наиболее благоприятные характеристики структуры при скоростях охлаждения отливок в форме, соответствующих самым характерным толщинам стенок машиностроительного литья при использовании ПГФ.Коэф-фициенты усвоения основных элементов зафиксированы на уровнях (%): С - 0,8...0,85;

- 0,76...0,86; А1-0.87..Д93; №-0,95...0,97; Мд- 0,3...0,35; Мп-0,4...0,6; Са-0,25...0,33; "П-0,7...0,75; Сг-0,6.,.0,7. Исследовано влияние типов и количеств сфероидизирующих и

и

графитизирующих модификаторов на структуру и свойства чугуна с учетом влияния Уэоо, варьирования количеств вводимых сфероидизаторов и их видов: ММдРЗМ, №Мд10, №Мд15, РеСе40, комбинация №Мд10+ФЦМ5 в условиях ковшевого модифицирования при постоянном количестве ФС75 - 0,8%. Установлено, что при содержании С<3.2% и У9ог,>0.93 град/с сфероидизация графита сопровождается образованием половинчатых структур; с учетом влияния скорости охлаждения и получения структуры графита и матрицы с заданными характеристиками обосновано содержание С=3,3% . Наилучшие параметры структуры <ФГ. ШГ) получены при использовании смесевого модификатора (№Мд10+ФЦМ5) ввиду наивысшего усвоения Мд и РЗМ, но из-за трудности его изготовления и доступности лигатур типа ММдРЗМ преимущественно применялись серийно выпускаемые модификаторы. Получены математические модели в виде систем регрессионных уравнений для описания зависимостей параметров структуры и свойств НАЧКГ от количеств модификаторов и у900, (Я>0,8): Фг=33,5+8,85№МдСе--81,64У5ао-7,41Ы1МдСе2-4Э,8бМ1МдСеу9!!!)+69,67Уэо!)2+14,45Уэоо* ЧШдСеЧ4,42№МдСе3+132,25ШдСеЧ<т2-70,е9у3003; ШГ=6217,01+8572,36* *Ы1МдСе-31514,бу9оо+6571,77Ы1МдСе2^7477>ЗЫ!МдСеу3оо+73005,07у3оог-6Э8,8*

Увоо3

л лг л г

■30824.ЗУ9оо2-9656Ы1МдСе3+28299.59Ы'|МдСегуЭоо-1530,7Ы1МдСеу9оог+53651,6у9оо3). По этим уравнениям также построены технологические диаграммы. Аналогично исследовано влияние ФСМгб при сравнении модифицирования 'колокольчиком" в печь и знутриформенного. В первом случае оптимальное количество ФСМгб 3,3%. во втором ■ 2,8%. На эффективность воздействия ФСМгБ влияет высокое содержание кремния, по при сверхоптимальных количествах модификатора может привести к охрупчива-чию за счет легирования феррита кремнием. Отсутствие структурно свободных карби-5ов обеспечивается при Удоо^О.Эград/с. Для ^-содержащих лигатур этот диапазон рас-иирен до 0,93 град/с, т. к. N1 снижает количество растворенного в матрице углерода. Последний может выделяться как в виде графита, так и в виде карбидов, в связи с чем 1ерлитизирующая роль N1 оказывается с одной стороны предотвращающей карбидо->бразование. с другой - упрочняющей получаемые отливки из образующегося НАЧКГ "¡(-Ф)-класса. Обобщая влияние модификаторов, содержания алюминия и чт, удается юлучить модели в виде полиномов Я>0,92): Фг=-0,29-0,ЗФСМг+0,95у900+0,44ФСМг2-

*№МдСе3-16750,б№МдСе2У90й+81942.6№МдСвУдМг-84780.7У9г3' НВ=16307.45-1493,89ММдСе-25354,7у9ло-Ю652.7№МдСе2+14515.гММдСеу»,

-О.вТУаоо^.ОЗФСМг^оо-О.ОЗФСМг^ОДЗУзао3; ШГ=-10,17-8,5ФСМг+85,11у9оо+ +17,53ФСМГ2-30,56ФСМГ*У9оо+63,43У90О2-1,83ФСМГ3-33,34У9ОО3; НВ=10,78+31, 31ФСМГ-508,16У900+74!01*ФСМГ2-20,24ФСМгу5О!)+1075,5У9оо2-17,6ФСМГ3--396,87удоо^, Н=0,81...0,88 ; К=-11,81-10,ЭбФСМг-38,^Уэод-ИБ.ббФСМг2--4,94ФСМгум!!+51,88у9оо2-3,06ФСМг3-2,35у9|)!)3. Это же отражают технологические диаграммы. Получены уравнения зависимости температур перегрева расплавов от количеств модификаторов, откуда следует большее влияние на этот фактор СКЗО в сравнении с ФС75. Следовательно, модификаторы, как и легирующие, сдвигают оптимальные уровни значений технологических параметров процесса, причем в том же нап-равлении.Тпер=1557,4-47СК300'5-50,6ФС750'5-33,2СКЗО-13,2ФС75-23,5СК3015+13* *ФС751'6-16,6СК30г+30,9ФС75г-11,7СКЗОг 5-42,бФС75г'5-8,2СК303+49,6ФС753; при учет< влияния основных элементов системы и А!: ТГИр=4354,1-13413С+140,75)+10326,2А1--88,1 РеСе40-561\ПМдСе+1949,1 С2-130,93г-1298,6А1г-17РеСе402-46,6№МдСе2. Исследование фильтрационного рафинирования и сорбционной очистки расплавов НАЧ. Изучен процесс хемосорбции НМВ на покровных флюсах. В результате исследования закаленных из жидкого состояния проб расплава установлено, что наименьшие количества остаточных плен с-А^Оз (0,7...1,3% при исходном количестве 1...2% по пло щади шлифа) и минимум удаляемых с поверхности расплавашлаковых масс (20...26 г на 50 кг плавки) образуются при составе флюса 0,5%Сар2 + 0,5% СаС03. Несколько ху же проявили себя флюсы с 0,5%СаР2+0,3...0,4%СаС03+ 0,1...0,2%Ск и 0,5...1% СаРг+ +0...0,5%Ск. На количество шпинелей в пробах флюсы влияния не оказали. Исследовано сравнительное влияние фильтрационного рафинирования расплавов НАЧ и их сорбционной очистки на графитовых шайбах и стержнях. Цель спецметодов обработк - удаление и/или компактизация химической нейтрализацией прежде всего самых стойких оксидов - А!203, наличие которых препятствует образованию МдО и ЭЮ2. Это по зитивный фактор войду того, что примесные НМВ могли бы за счет высокой способно ста к компактизации, оцениваемой по фактору формы, создать угрозу возникновения в отливках многочисленных очагов зарождения горячих трещин - на стадии охлаждения в формах, а также холодных трещин в период работы изделий из полученного материала в условиях механических нагружений; образование же в телах отливок ми ровключений силикатов матия может повлечь за собой постепенное слияние внутренних микротрещин с механическим расслоением НАЧКГ П(-Ф)-кпасса либо по грани-

цам фаз (в том числе и с включениями), либо в зонах субструктур П, либо в местах скопления ликвационныхзон и плен прочих НМВ. Ступенчатый механизм хрупкоплас-тичного разрушения кристаллической решетки матрицы имеет в механике материалов описание в виде эффекта Грини. Фильтры для очистки расплавов НАЧ в ходе заливки можно снабжать 31 и Тьприсадками или Са-А1-импрегнатами. Установлена целесообразность использования в качестве материалов фильтров родственного расплаву компонента - графита в кристаллической модификации, сорбционные и адгезионные свойства которого к составляющим НАЧ превышают растворимость в перегретом расплаве и тенденцию к диффузии его структурных атомов С. ставших дефектами по Шо-ттк'и, и к удалению с отходящими газами в атмосферу. 31- и "П-присадки эффективны в химической нейтрализации и компактизации до укрупненных форм удаляемых НМВ, измененных за счет реакций обмена и соединения плен е-АЬОз; целесообразность их применения следует из диаграммы Феллманна-Бьенвеню-Фуко, определяющей способность металлов в расплавах восстанавливать друг друга из оксидов и сульфидов. Эффективность очистки зависит от податливости материалов термоактивации, осуществляющейся за счет теплоты, отдаваемой расплавом при непосредственном контакте. Са-А1-импрегнаты представляют собой пропитки графитных фильтров солями, богатыми катионами Са2+ и А13+. Продукты их химических взаимодействий с НМВ оказываются нерастворимыми в НАЧ комплексными соединениями и удаляются и фильтрационным рафинированием, и сорбцией, а иногда и флотацией вследствие спекания с отработанными флюсами. В развитие материалов методического раздела следует сообщить, что количественные оценки эффекгивностей процессов фильтрации и сорбции проведены по эксикаторному методу контроля удельного объема сорбционного пространства в отработанных материалах-очистителях (по описанию М.М. Дубинина) в сочетании с оптическим и гравиметрическим методами. Разработана методика расчета графитного фильтра и плавающей сорбционной наездки с определением таких характеристик, как: эффективность и темп очистки (ЭО и ТО), степень очистки кристаллизующейся системы (СОКС), общее время очистки (тЕ). Зная наилучшие параметры сорбента из выбранного материала, можно рассчитать наилучшие для проводимого процесса параметры фильтра из того же материала. Отмечены соизмеримые результаты в удалении плен е-АЬОз и шпинелей (РеА1204,СаА1204) при применении как фильтрационных, так и сорбционных технологий; наилучшие из достигаемых результатов

при тг=600 с: Э0=90%, Т0=0,03 масс.%НМВ/с (определяется расчетом по данным измерений количеств НМВ в пробах НАЧ до и после рафинирования с помощью химического и петрографического анализов), СОКС=18% при охвате 1/5 части зеркала расплава графитным сорбентом с налипшей на него равной по массе AI-затравкой. При реализации возможностей методов очистки необходимо учитывать вероятность конку рентной сорбции НМВ и наименее растворимых в расплаве ИМВ, а также конкуренции сорбции всплывающих тугоплавких компонентов и десорбции с гиперактивированной поверхности графитного сорбента моноатомных углеродных слоев. Последние либо путем внешнедиффузионного горения (турбулентного отрыва участков поверхностны: слоев с их интенсивным окислением на воздухе) По механизму Ж.Амарала-Синтры возгоняются в атмосферу, либо в процессе хемофореза (направленного движения монослойных потоков веществ под действием градиентов между их химическими потенциалами и/или вязкостями) диффундируют в глубину расплава, повышая на 0.02... 0,05% среднее содержание С. Вклад в фильтрационное рафинирование механической задержки скоплений плен на порядок превышает вклад адгезии за счет сильных ковалентных полярных связей Fe-C. На шлифах срезов со скоплениями НМВ карбидов нет (связи М-0 - сильнее, чем М-С). Представлены рекомендации по геометрическим параметрам графитных фильтров для использования при заливке расплавов НАЧ в ПГФ и приведенных толщинах отверстий в заливочных воронках до 12,5 мм: высота фильтра-шайбы- 27...40 мм; диаметр (наибольшее поперечное сечение)- 58... 65 мм; для эффективной фильтрации сквозные отверстия фильтров должны иметь увеличенные на 1+0,5 мм входные участки с возможным углом наклона к вертикальной оси симметрии 0±15°. Граничные условия: а) отсутствие быстрой остановки тонких струй за счет локального захолаживания металла с плотным смыканием плен (отсюда наименьший диаметр отверстий определен в пределах 2,8...3,4 мм); б) пределы увеличения диаметров отверстий не должны давать ЭО<75% вне зависимости от ТО и по этому показателю установлены максимально допустимые диаметры - 6,2...7 мм; в)размах их значений прямо пропорционален пределам колебаний жидкотекучести заливаемого расплава. Рекомендуется изготовлять по два отверстия каждого диаметра так, чтобы набор их получился с ориентировочным шагом увеличения 0,2..,0,4мм. Недопустимо соединять нижние части ближайших друг к другу отверстий и сосредото чивать все отверстия тонкого сечения (с диаметром до 4 мм) в одном секторе фильт-

ра - из-за угрозы активной локализации скопления малых количеств плен с быстрым выведением из строя большого участка зоны очистки НАЧ.

Исследование составов, структур и свойств НАЧКГ. полученных по разработанной технологии. Рассмотрены составы полученного материала, определены допуски по примесным элементам, которые, находясь в составе ИМВ, согласно данным предыдущих исследователей, позволяют добиваться структурного упрочнения многих сплавов. Исследование влияния многокомпонентных примесей элементов 4-6 периодов. обнаруживаемых в составах ИМВ и твердых растворов в металлоосновах химическим и атомно-адсорбционным спектральным анализом (точность, соответственно, 0,1 и 0,001 масс.%), чаще всего не выявляет их отрицательных воздействий на механические свойства НАЧКГ при любых соотношениях и наборах этих примесей, если их суммарное количество не превышает 3 масс.%. Систематизированы экспериментальные данные по влиянию составов исходных шихтовых материалов, присадок и модификаторов на количества усваиваемых компонентов в НАЧКГ. построены регрессионные уравнения для определения массовых чисел основных элементов в реально получающихся составах. Наилучшими режимами модифицирования признаны: ковше-вое - при использовании 1.1% ММдСе. внутриформенное - при 2.8% ФСМгб. Наилучшие свойства проявили чугуны с 3.3±0,1%С. 0.8. Г-'^. 3,9...4.7%А1, 0,2...0.5%Мп, до 0,07%Мдоот, до 0,02%РЗМ (Се, 1_а, Ж, Рг, У), до 0,1%(Б+Р): в случае базового метода модифицирования в отливках должно оставаться также 0,9... 1%№ При предельных скоростях охлаждения в условиях заливки пластин толщиной 5...7 мм обеспечивается получение матрицы без структурно-свободных карбидов и Фг ^ 0.9. Критерий у90о адекватно отражает влияние условий охлаждения на формирование структуры и свойств НАЧКГ. При изучении влияния режимов термообработки на структуру и свойства отливок установлено, что ферритизирующий отжиг 850°С -1 час снижает содержание га-п-эвтеетоида до 0...10%, НВ снижается с 220...260 до143...174. Нормализация дает увеличение содержания П с 70 до 85%, но твердость стабилизируется в пределах 190... 210 НВ. В результате оптимизации технологических параметров процесса получения отливок с использованием разработанных математических моделей установлено, что при ковшевом модифицировании 1,1% ММдСе-лигатурой НАЧ с 4,5% А1 и когда у30о= =0,33 град/с (в клине Д15) обеспечиваются: о,=620...650 МПа, а0,2=450...470 МПа, 5= =3,2...3,5%; при внутриформенном с 2,7...2,8% ФСМг - а„=450...500 МПа, ао г=340...

360 МПа, 6=1,4...1,7%. Понижение механических свойств при внутриформенном модифицировании можно связать с охрупчиаающим влиянием повышенного содержания Si в ФСМг5, как показывает изучение картин участков разрушения разрывных образцов НАЧКГ. По предварительным данным, на участке 2,5...3,5%AI при 1,1 %NiMgCe до термической обработки образцов фиксируются ав=515...525 МПа, ао,2=420...430 МПа, б линейно снижается от 3 до 2,3%. При количестве Al>4,7% в фасонных отливках образуется не менее 10...15% К. В этой категории половинчатых НАЧ с 5,5% AI и 1,1% NiMgCe ст5= бООМПа, ао,г= 575МПа, 6=0,5%. Для таких случаев при помощи компьютерного графического пакета Microcal ORIGIN получены следующие математические модели: o„=621,38-73AI+12,5AI2 (R =0,99;R2=0,98;SD=8,94); а0,г=578,69-118,5А1+ +21,25А1г (R2=R=0,99;SD=1,12); 6=5,07-0,81AI (SD=0,15). После изотермической закалки по режимам: 1) Та=900°С, та=1час; 2) ТИ=350°С, т„=1час при 2,5...3,3% и 4,9... 5,5% AI отмечаются колебания механических свойств в пределах о»=820...840 МПа, а0,г= =о15...325 МПа, однако при 3,5... 4,5% Ai последняя характеристика возрастает до 835 ...840 МПа, 6 до 3,5% AI находится в пределах 0,5...0,55%, а при 5,5% AI резко снижа ется до 0,2%. Для механических свойств закаленных образцов получены следующие уравнения: o„(3)=880-35cos(2,3AI-0,58)-3,85cos(6,9AI-1,73)-1,4cos(11,5AI-2,88)-(22-1,2AI -0,01А12)1,2; а0,2(з)=680,54+78,1AI-9J5A12 (SD=0,67); 6(з)=0,01+0,35А1-0,06А!2. (R=0,97; R2=0,94; SD=0,06). Отностиельные погрешности определения S - +5%, прочности на разрыв - ±10%, оо,г -до ±20%. Определены литейные свойства НАЧ. Заливка спиральных проб на жидкотекучесть (Л) показала наибольшее значение - 870 мм при 4...4,5% AI, наименьшие отмечались при 2,5 и 5,5% AI, соответственно, 730 и 650 мм. Это может быть связано со снижением дисперсности плен б-А1г03 в интервале до 4,5+0,2% AI, а большие количества легирующего способствуют увеличению вязкости расплава в связи с увеличением количества слоистых НМВ внутри плен. Проведены тесты на заполняемость (Z) пластин толщиной 5 мм в ПГФ, и max Z=90...93% снова пришелся на 4,5% AI, a minZ =20% - на 5,5% AI. Получены следующие уравнения: А=656-200* "cos(0,9AIZ-0,68)-22cos(2,7AI-2,05)-8cos(4,5AI-3,42)+(8-1,11AI-0.2AI2)3 и Z=-430-60* *cos(0,9AI-0,72)-6,6cos(2,7AI-2,16)-2,4cos(4,5AI-3,6)+(8-0,03AI-0,01AIJ)3. Определены п< верхностныесвойства отливок в ПГФ: диффузное отражение сфокусированных луче! и высокая чувствительность к их поляризации, 12-й (высший) класс шероховатости,

сильные поликристалличность и потенциалы диффузии ликвационных зон с < 3%.

____________________________ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ --------------

1. Для исследованных в работе низкоалюминиевых чугунов с компактной формой графита, подвергнутых ковшевому или внутриформенному модифицированию различными видами Мд-содержащих лигатур, получены в виде системы регрессионных уравнений математические модели, которые позволяют прогнозировать влияние химического состава, металлургических и технологических факторов на структуру, механические и литейные свойства НАЧКГ. 2. Установлено оптимальное количество алюминия (4,5%), которое при предельных скоростях охлаждения, в частности при заливхе пластин толщиной 5...7 мм, обеспечивает получение бескарбидной матрицы при высокой степени сфероидизации включений графита (Фг> 0,9). 3. Подтверждено, что определяемый по результатам дифференциально-термического анализа критерий адекватно отражает влияние условий охлаждения на процессы формирования структуры и свойств НАЧКГ, связь между у9С0 и приведенной толщиной отливки для данного метода литья отображается полиномом второй степени. 4. Та часть разработанных НАЧКГ, которая обеспечивает лучшие соответствия по механическим свойствам требованиям к высокопрочным конструкционным чугунам, относится к перлитному и пер-лито-ферритному классам; ферритизиругащий отжиг 850°С -1 час снижает твердость на 50...70 единиц НВ. В литом состоянии при толщинах стенок отливок 10...30 мм твердость колеблется в пределах 330...240 НВ. 5. Установлено, что средний максимум Фг=0,9 может быть достигнут в образцах без структурно-свободных карбидов с приведенными толщинами около 4 мм, что соответствует у900=О 8 град'с. отбел становится неизбежным при у,0о>0,93 град/с. Наибольшая степень сфероидизации графита обеспечивается при внутриформенном модифицировании 2,8% ФСМгб. 6. Исследованы и систематизированы виды интерметаллидных (ИМВ) и оксидных (в том числе шпинелей) неметаллических включений (НМВ) в НАЧКГ. Найдено 13 видов НМВ и 13 -ИМВ; при химической нейтрализации а-А!203 предварительным введением в печь 0,8% РеТОО в отливках обнаруживается 14 видов НМВ и 20 - ИМВ. 7. Исследованы сорбционный и фильтрационный методы очистки расплавой НАЧ на графитных и волокнистых сетчатых материалах; механическая фильтрация в ходе рафинирования оказалась более значимой, чем адгезия плен. 8. Установлено, что при 30-минут-

ной выдержке в морской воде, содержащей растворенных солей 30 г/л растворителя, НАЧКГ по коррозионной стойкости превышают показатели высокопрочных чугунов с шаровидным графитом и уступают хромистым. Окислительно-восстановительные потенциалы НАЧКГ феррито-перлитного класса находятся на уровне 69...70 мВ; перли-то-ферритного - 68 мВ (у ВПЧШГ- 65 мВ, что опосредованно сообщает о несколько меньшей по сравнению с алюминиевыми чугунами стойкости в агрессивных средах); перлитного - 64 мВ и при наличии ледебуритной эвтектики - 67 мВ. 9. В результате оптимизации технологических параметров процесса получения отливок изНАЧКГ, используя разработанные математические модели, установлено, что в чугуне с 4,5% А) при ковшевом модифицировании 1,1% ММдСе-лигатуры и у900= 0,33 град/с обеспечивается получение а0=620...650 МПа, а0,2=440...460 МПа, 5=3,2...3,5%, при внутри-форменном модифицировании 2,7% ФСМгб - а,=450...500 МПа, о0.2=340...360 МПа И 8=1,4...1,7%. Понижение механических свойств при внутриформенном модифицировании связано, очевидно, с отрицательным влиянием повышенного содержания Э! в ФСМгб. В целом, механические свойства НАЧКГ выше, чем ВЧ60. 10. Разработаны технологические рекомендации по предотвращению попадания в тела отливок НМВ. 11. Полученные результаты позволяют расширить применение НАЧКГ для производства сложных фасонных тонкостенных отливок в различных отраслях общего и специального машиностроения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В РАБОТАХ:

1. Казакевич А.Г., Косников Г.А., Морозова Л.М., Каплуновский Ю.А. Технологические особенности получения конструкционных низкоалюминиевых чугунов с компактным графитом /Сб. тр. СП6ГТУ № 463 "Современные материалы: технологии и исследования". - СПб, 1996. - С. 102 -103.

2. Косников Г.А., Казакевич А.Г., Каплуновский Ю.А., Акерма М. Низкоалюминиевые чугуны как перспективный конструкционный материал /Сб. тр. Междунар. науч.-техн. конф. "Высокие технологии в современном материаловедении". ДУ в Лесном, 2728.05.1997г. - СПб: СПбГТУ, 1997. - С. 76-77.

3. Косников Г.А., Морозова Л.М., Каплуновский Ю.А., Казакевич А.Г. Алюминиевые конструкционные чугуны - материал для облегченных отливок ответственного назначения //Литейное производство. -1997. - №5. - С. 19-20.(Этаже работа - доклад на Третьем съезде литейщиков России, 19-22.05.1997г., г.Владимир).