автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Исследование влияния инокулирования на структурные параметры литого металла и служебные свойства кованых изделий тяжелого машиностроения

На правах рукописи

ПЕТРОВА Валентина Федоровна

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИНОКУЛИРОВАНИЯ НА СТРУКТУРНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЛИТОГО МЕТАЛЛА И СЛУЖЕБНЫЕ СВОЙСТВА КОВАНЫХ ИЗДЕЛИЙ ТЯЖЕЛОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ

Специальность 05.02.01 Материаловедение (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград - 2006

Работа выполнена на кафедре «Технология Волгоградского государственного технического университета

материалов»

Научный руководитель ' доктор технических наук, профессор

Жульев Сергей Иванович

ч

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

ШапочкиII Василий Иванович доктор технических наук Зюбан Николай Александрович

Ведущее предприятие: ФГПУ «ПО Баррикады» 1

Зашита диссертации состоится «¿3 » 2006 г в часов

на заседании диссертационного совета Д 212.028.02 в Волгоградском государственном техническом университете по адресу; 400)31, г. Волгоград, проспект им. В.И. Ленина, 28, зал заседаний ученого совета (ауд.209)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградскою государственного технического университета.

Автореферат разослан МОЛ^^ЪШЬ г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Кузьмин С.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Производство изделий ответственного назначения, таких как роторы турбогенераторов, судовые валы, изделия для тяжелой промышленности - является важнейшим направлением в развитии отечественного машиностроения. Все крупные уникальные изделия изготавливаются из стальных отливок большой массы.

Высокие требования, предъявляемые к качеству таких изделий, могут быть достигнуты при обеспечении структурной однородности металла по длине и сечению крупногабаритных изделий, а также при низком уровне и стабильном составе неметаллических включений и примесей, влияющих на характеристики механических свойств.

Повышение структурной плотности металла в литом состоянии достигается посредством ускоренного охлаждения кристаллизующегося расплава. В.А, Ефимов, С.С. Затуловский сформулировали теоретические основы и дали практические рекомендации по использованию внутренних теплосто-ков, обеспечивающих ускоренный теплоотвод и измельчение дендритной фазы исходного литого металла. Существенный вклад в развитие теории н технологии суспензионной разливки внесли работы Н.Т.Гудцова, A.A. Ры-жикова, Ю.З, Бабаскииа, A.M. Мадянова, Г.Ф. Баландина, Б.Б. Гуляева, М.Флемингса, D.Tumbull.

Введение дополнительных центров кристаллизации, уплотняя дендритную структуру, снижает развитие ликвационной неоднородности и обеспечивает равномерное распределение неметаллических включений в готовом металле. Природу неметаллических включений, их величину и расположение в металле ответственных машиностроительных изделий исследовали В .И. Явойский, B.C. Дуб, A.B. Дуб, Ю.А. Шульте, К. Нарита, М.И. Виноград, В.Даль. В их работах подчеркивалась значительная роль параметров неметаллической фазы в обеспечении служебных свойств деталей. Измельчение и уплотнение дендритной структуры, снижение ликвационной неоднородности обеспечивалось традиционными инокуляторами (дробью, порошком, обсечхами). При этом выявлено увеличение количества оксидной фазы, негативно влияющей на характеристики механических свойств. С появлением работ С.И. Жульева, H.A. Зюбана, К.Е. Титова по введению эндогенных ииокуляторов в металл появилась возможность сократить рост загрязненности металла оксидами, так как исключалось введение твердых, предположительно окисленных частиц.

Однако остается открытым вопрос об оценке влияния инокулирования на структурные параметры литого металла, определяющие, в конечном итоге, служебные свойства крупногабаритных изделий ответственного назначения.

Актуальность диссертационной работы подтверждается проектом Министерства промышленности, науки и технологии 6/354-03 "Разработка тех-

пологии производства металлургических заготовок повышенной однородности для изделий тяжелого машиностроения" (2003 г.) по распоряжению №3.900/41-68 от 26.03.2003 г.

Цель работы - повысить служебные свойства готовых крупногабаритных детален тяжелого машиностроения за счет повышения химической однородности, измельчения дендритной структуры и снижения количества неметаллических включений при применении инокулировання, для исключения повторных термических обработок на заключительной Стадии производства.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи.

1. Исследовать уровень и распределение по длине показателей механических свойств металла промышленных валив из стали 38Х113МФА, полученных по различным производственным технологиям.

2. Изучить влияние инокулирования па природу и распределение неметаллических включений, параметров дендритной структуры и химическую неоднородность металла исходных литых заготовок.

3 Провести оценку влияния исследуемых факторов на показатели механических свойств готовых изделий машиностроения и дать рекомендации по применению инокулирования.

Научная новизна. Впервые установлено, что введение эндогенных инокуляторов в процессе разливки привело к уплотнению и измельчению дендритной структуры, снизило объемную ликвационную неоднородность и сократило количество оксидной фазы на 55 % по сравнению с использованием традиционных инокуляторов.

Показало, что уменьшение дендритного параметра в 1,2 раза и повышение плотности дендритных осей в 1,3 раза в ипокулированном металле, что обеспечивает меньшее развитие ликвации углерода, серы и фосфора.

Уплотнение дендритной структуры снижает объем междендритных пространств и обеспечивает существенное снижение развития дугообразных трещин.

При применении и н окулирован и я параметры кристаллической структуры, распределение неметаллических включений и ликвирующих примесей более однородны по всему объему заготовки, что обеспечивает стабильность характеристик механических свойств металла готовых изделий тяжелого машиностроения.

Впервые по значению дендритного параметра стало возможным оценить эффективность внешнего воздействия (ииокули ровани я) па металл в условиях разливки и последующей кристаллизации.

Достоверность полученных результатов основана на большом массиве экспериментальных данных, полученных на образцах литого и деформированного металла с применением металлографических микроскопов ОИМРиК ВХ61, МИМ-8, МБС-9, микротвердомеров ПМТ-3, а также с ис

пользованием компьютерных программ — определения плотности дендритной структуры и дендритного параметра.

Практическая ценность. Полученные результаты исследований позволили научно обосновать механизм влияния эндогенных инокуляторов на структурные параметры литого металла. Это, в свою очередь, дало возможность исключить повторные термические обработки за счет повышения стабильности механических свойств по мине и сечению промышленных валов и получить экономический эффект 1205,199 тыс. руб.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы представлены на следующих конференциях и семинарах: Современные проблемы металлургического производства (Волгоград, 2002 г); VI, VIII, X Решональных конференциях молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград, 2001,2004,2005 гт.), Высокие технологии в машиностроении (Самара, 2005).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 15 печатных работ, в том числе 3 в центральных рецензируемых журналах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы. Объем диссертации составляет 144 страницы, включающих 74 рисунка, 22 таблицы и 10 страниц списка использованной литературы из 104 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение посвящено обоснованию актуальности темы диссертации.

В первой главе рассмотрено влияние инокулирования на кристаллизацию и кристаллическое строение литого металла.

Известно, что уровень механических свойств металла кованых изделий машиностроения зависит от его химического состава, количества и природы неметаллических включений и кристаллической структуры. При этом в крупных поковках эти характеристики, меняясь по длине и сечению, изменяют также и показатели прочностных и пластических свойств. Для крупногабаритных изделий существуют ограничения на величину разности этих показателей в одном изделии.

С укрупнением изделия нестабильность в величинах показателей механических свойств по его концам возрастает и необходимы новые технологии, обеспечивающие требуемую однородность свойств металла.

Известно, что получение однородной заготовки затруднено вследствие различных физических и физико-химических свойств уже затвердевшей и кристаллизующейся стали из-за развития процессов ликвации примесей, кристаллизационной и физической неод] народности металла в объеме заготовки. Существенное влияние на структурообразование в процессе кристаллизации оказывают небольшие добавки изоморфных веществ (модификаторы II рода) по отношению к кристаллизующейся фазе. При введении в каче-

стве изоморфных модификаторов железного порошка или литой дроби увеличивается загрязненность стали неметаллическими включениями, в основном оксидами. Ограниченность применения данной технологии вызвана также сложностью получения дисперсных инокуляторов, для которых необходима защита от окисления при хранении, транспортировке и введении в расплав.

Дан краткий обзор поведения неметаллических включений при кристаллизации крупной отливки.

Была рассмотрена дендритная неоднородность литого металла, которая играет главную роль в формировании механических свойств литой структуры, а затем и полученных ответственных изделий для тяжелого машиностроения. Отмечено, что главными процессами, определяющими дендритную неоднородность стали, являются следующие:

- зарождение и рост кристаллов в зоне переохлажденного металла и накопление на их поверхности слоя ликватов,

- перемещение индивидуальных кристаллов в зоне двухфазного состояния стали и смывания части ликвирующей примеси с их поверхности,

- перемещение ликвирующих примесей при взаимном схватывании ветвей дендритов под действием капиллярных сил и усадочных процессов в междендритных пространствах.

Однако до сих пор нет систематизированных исследований по влиянию инокулирования на природу, размер, распределение и загрязненность неметаллическими включениями крупной заготовки, параметры дендритной структуры, химическую неоднородность и др., что потребовало проведения дополнительных исследований для оценки влияния и нокулирования и дальнейших рекомендаций по его использованию для промышлетюсти.

Во второй главе представлены материал и методики исследований.

Для решения поставленных задач проводилось сравнительное исследование двух отливок из спокойной стали 38ХШМФА, массой 24,2 т, отлитых по обычной технологии и с инокуляцией струи металла (доля инокуляторов составляла 1,76 %) на ФГУП «ПО «Баррикады».

После термообработки из заготовок были вырезаны продольные осевые плиты толщиной 25 мм, из которых были вырезаны темплеты и микрошлифы для исследования. Исследования проводились на трех горизонтах 900, 1400 и 2600 мм от дна отливки и по высоте конуса осаждения. Загрязненность стали неметаллическими включениями и их размер оценивали по ГОСТ 1778-70 по методу Л.

Природу неметаллических включений определяли металлографическим методом непосредственно на полированном шлифе в поляризованном свете, светлом и темном поле. Изучалась форма, цвет, прозрачность, степень анизотропии, расположение включений в литой структуре.

Дендритную структуру выявляли реактивом Обергоффера. Для определения дендритного параметра (расстояние между осями второго порядка) и объемной доля дендрнтов использовали линейный метод Розиваля. Структуру фотографировали через микроскоп МБС-9 цифровым фотоаппаратом с дальнейшей обработкой полученных фотографий с помощью редактора Adobe PhotoShop. Для оценки влияния инокулирования на параметры дендритной структуры воспользовались соотношением расстояний между ветвями дендритов в обычном и инокулированном металле 1м,ае2/1м,1нЛ предложенным Флемингом, которым можно оценить эффективность инокулирования.

Микротвердость измеряли па приборе ПМТ-3 с нагрузкой 100 г.

Микроструктуру металла выявляли травлением 4 % спиртовым раствором азотной кислоты (HNO3) и исследовали под микроскопом МИМ - 8 и OLIMPUSBX21 при увеличении хбО - 100.

Для оценки влияния инокулирования на ликвационные процессы в литом металле серии образцов из отдельных зон подвергали спектральному анализу с помощью прибора ARC-Met 930.

Механические испытания на растяжение проводились по ГОСТ 149784 на образцах типа Ш №4. Ударную вязкость определяли на образцах типа II по ГОСТ 9454-78.

Оценка равномерности распределения механических свойств но длине . поковки была рассчитана по формуле

К^М^-М^/М^)-100 %, (1)

где К - коэффициент равномерности распределения механических свойств,

Mmax, Mmin, Мер - максимальное, минимальное и среднее значение исследуемой характеристики.

В третьей главе представлены результаты влияния инокулирования на химическую неоднородность заготовок.

Согласно литературным данным углерод, сера и фосфор относятся к элементам наиболее склонным к ликвации, в связи с чем, в работе исследована химическая неоднородность по этим элементам. Для изучения объемной ликвации был проведен спектральный анализ образцов, взятых из различных по высоте горизонтов и донной части исследуемых отливок, а затем была оценена степень ликвации элементов, показывающая процентное отклонение концентрации какого-либо элемента в заготовке от его содержания в ковшевой пробе. Результаты оценки среднего значения степени ликвации элементов представлены в таблице 1.

Данные таблицы 1 свидетельствуют о том, что в обычном металле степень ликвации по всем исследуемым элементам выше, чем в инокулиро-ванном. В конусе осаждения, и в обычной и в инокулированпой отливке, находится зона отрицательной ликвации, которая в инокулированной отливке менее выражена.

Таблица I — Среднее значение степени ликвации элементов

Исследуемые зоны отливки Среднее значение степени ликвация элементов (обычный/икокулированный металл)

С S Р

Но высоте конуса осаждеиия -18Л8 -2S/-8 •291-2$

По сечению на гориюнте 1400 мм 3/3 0/8 29/8

По сечению на горизонте 2600 мм 0/3 8/8 7/0

Средняя ликвация 7/5 И/3 22/11

Четвертая глава посвящена исследованию влияния инокулировання на дендритную структуру заготовок.

Первичная структура оказывает непосредственное влияние на многие процессы, определяющие формирование вторичной структуры, и на свойства стали. Эта взаимосвязь, прежде всего, заключается в том, что межветвен-ные расстояния определяют дисперсность распределения сегрегации, выделение первичных и вторичных фаз, в том числе и неметаллических включений, а протяженность междендритных границ - пограничное выделение вредных примесей и неметаллических включений, а также условия зарождения центров перекристаллизации при охлаждении литого металла после затвердевания.

Полученные результаты показывают, что изменение размеров первичных кристаллитов и межветвенных расстояний влияют на формирование конечной структуры и свойств изделий. На рисунке 1 представлено изменение дендритного параметра по высоте конуса осаждения слитка.

100

175 250 325 400 475 550 Расстояние от поверхности, мм Обычный металп —Йнокулцроаакный металл

625

Рисунок 1 - Изменение дендритного параметра по мере удаления от дна отливки

Аналогично меняется значение дендритного параметра и по мере удаления от наружной поверхности к оси отливки над конусом осаждения, на высоте 900 мм от ее дна (рисунок 2).

25 75 125 175 225 275 323 375 425 475 525 Расстояние от поверхности, мм

| — Обычный металл Инокулированный метялл ^

Рисунок 2 — Изменение'дендритного параметра по мере удаления от бокового края коси над конусом осаждения

Следует отметить, что ближе к поверхности значения дендритного параметра в обычном и в инокулированном металле отличаются незначительно, затем дендритный параметр в инокулированном металле заметно уменьшается, а к оси заготовки их значения вновь выравниваются.

Известно, что условия затвердевания в значительной степени определяют дендритную разветвленность и, в частности, расстояния между осями дендритов. Чалмерс отмечает, что для конкретного сплава расстояние между осями дендритов довольно хорошо согласуется со скоростью охлаждения. Эту зависимость он представляет в виде формулы

S=A-exp(BLn(R)+CM) (2)

где R —скорость охлаждения,

М - молярная доля,

D - коэффициент диффузии в твердой фазе,

А, В и С - постоянные, из которых А и С имеют разные значения для доэвтсктических и заэвтектических сплавов.

Концентрация ликвирующих примесей в прилегающих к дендриту объемах расплава и в межветвенных ячейках дендрита пропорциональна толщине ветвей и скорости затвердевания. Обычно расстояние между дендритными ветвями обратно пропорционально средней скорости охлаждения расплава на данном участке.

Полученные результаты (рисунки 1, 2) показывают, что в заготовке, полученной с введением инокуляторов, скорость охлаждения выше, чем в заготовке, полученной по традиционной технологии. Повышение скорости кристаллизации выявлено как с боковой поверхности, так и от дна отливки (до 900 мм).

Исследование показало, что объемная доля дендритов уменьшается от периферии к центру, как в обычной, так и в инокулированной заготовке.

Средняя объемная доля дендритных осей в металле конуса осаждения находится в пределах 40 — 60%.

Структура литого металла нижней части отливки, отлитой с введением инокуляторов, характеризуется большей дендритной плотностью.

По нашему мнению, время формирования кристаллической структуры этих участков совпадает с периодом максимального влияния охлаждающего действия инокуляторов. При этом выявлено запаздывание воздействия иноку ляторов на структуру боковой поверхности заготовки по сравнению с донным фронтом кристаллизации.

Таким образом, проведенные исследования структуры конуса осаждения показали, что при введении инокуляторов в процессе отливки увеличивается объем конуса осаждения по отношению к площади осевого тем-плета до 13,7 %, иротив 12,6 % в обычной отливке. Вероятно, это происходит из-за увеличения числа свободных кристаллов в жидком ядре отливки, образовавшихся при расплавлении инокуляторов. При этом дендритные кристаллы конуса осаждения в заготовке, отлитой с ииокуляторами, отличаются большей плотностью дендритных осей и меньшей величиной дендритного параметра. Более плотная структура нижней части данной отливки обусловлена ускоренным его формированием, вследствие большего количества исходного материала (кристаллов).

Все перечисленные факторы обеспечивают частичное подавление отрицательной ликвации в крупной заготовке конструкционной стали.

Аналогичные параметры исследовались также на среднем и верхнем горизонтах отливок, В инокулированной заготовке на горизонте 1400 мм дендритный параметр плавно увеличивается к центру от 0,1 до 0,25 мм (рисунок 3), а в обычной - расстояние между осями второго порядка волнообразно изменяется от поверхности к центру заготовки.

25 75 125 175 225 275 325 375 425 475 525

_Расстояние от повераиости, мм

^ * Обычный металл —Инокупированный металл]

Рисунок 3 — Изменение междендритного расстояния по сечению горизонта 1400 мм

Междендритное расстояние по всему сечению горизонтов 1400 и 2600 мм (рисунок 4) обычной отливки больше, чем инокулированной, что свидетельствует об ускоренной кристаллизации последней.

25 75 125 175 225 275 325 ЗТ5 425 475 525

__Расстояние от поверхности, мм _____

j—«—"обычный металл —•— Инокулировакный металл|

Рисунок 4 - Изменение междендритного расстояния по сечению горизонта 2600 мм

Междендритное расстояние в обычной и инокулированной заготовке увеличивается от поверхности к оси, но в инокулированном металле дендритный параметр имеет значения меньшие, чем в обычном,

Для оценки влияния инокулирования на параметры дендритной структуры использовали соотношение Флемингса. Чем больше этот показатель, тем сильнее проявляется влияние инокулирования на уменьшение дендритного параметра.

Данные по оценке эффективности инокулирования в различных структурных зонах отливки приведены в таблице 2.

Таблица 2 Эффективность инокулирования в различных зонах отливки

Исследуемая зона Среднее значение эффективности инокулирования

по всем зонам в корковой зоне в зоне столбчатых кристаллов в зоне крупных различно ориентированных кристаллов В зон« мелких различно ориентированных кристаллов

Донная часть отливки 1,9 1,32 2,83 - 1,80

Горизонт 900 мм 131 1,13 U2 1,73 1,06

Горизонт 1400 мм 1,67 1,71 1,62 1,87 1,41

Горизонт 2600 мм 1,2 0,38 1,05 1,29 -

Обобщая полученные результаты влияния инокулирования на дендритный параметр, можно сказать, что в нижней части отливки инокулирова-ние наиболее эффективно (особенно в зоне столбчатых кристаллов - 2,83), а

менее эффективно в верхнем горизонте, где максимальное значение показателя не превышает 1,29. Наибольшее влияние инокулирования проявляется для всех горизонтов в зоне крупных различно ориентированных кристаллов, а наименьшее влияние оказывает на корковую зону, так как она формируется очень быстро без участия инокуляторов, а только за счет интенсивного теплоотвода.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что инокулирование крупной заготовки ускоряет процесс ее кристаллизации практически по всему объему.

При исследовании строения трех кузнечных заготовок из стали 38ХНЭМФА выявлен ранее мало изученный вид несплошности - дугообразные трещины, которые обрамляют вершину конуса осаждения (рисунок 5). Эта область имела внешний диаметр 352 мм, внутренний диаметр 130 мм и

Рессгояни* ат края слкте*. мм

1 — корковая зона; 2 - зона столбчатых дендритов; 3 - зона мелких различно ориентированных дендритов; 4 - зона крупных различно ориентированных дендритов; 5 - зона осевой рыхлости и У-образных трещин; 6 -зона конуса осаждения; 7 - область дугообразных трещин.

Рисунок 5 — Схема расположения трещин в осевой зоне отливки массой 24,2 т из стали 38ХНЗМФА

Повышенный интерес к зтнм трещинам обусловлен периодическим обнаружением в готовых поковках множественных (10-80 шт.) трещинок протяженностью 2-7 мм. Дефекты располагаются в объеме с диаметром до 1/3 диаметра изделия только в одном месте по их длине, и этот участок примерно соответствует месту их обнаружения в заготовке. Расположение не-сплотностей в поковках никак не соответствовало имеющимся представлениям об осевых трещинах. Выявленные в заготовках трещины, названные дугообразными, по нашему мнению, как раз н являются источником множественных несплошностей в поковках большого диаметра.

Исследование изломов показало, что стенки дугообразных трещин имеют дендритное строение, что свидетельствует об их росте в присутствии жидкой фазы. Трещины (отдельные фрагменты) меняют угол наклона при смещении от оси заготовки к ее поверхности, повторяя контур вершины конуса осаждения. Они имеют сложное разветвленное строение с отдельными горизонтальными участками, что при последующей ковке может привести к их раскрытию.

Исследование нетравленых образцов металла из обычной заготовки показало, что дугообразные трещины представляют собой протяженную цепочку пустот различной конфигурации, располагающихся по «дуге», В ино-кулированной заготовке также обнаружены несплошности схожего характера, но они имеют значительно меньшую протяженность и располагаются разрозненно (рисунок ба).

Изучение дендритной структуры в дефектных зонах заготовок позволило установить, что в обеих заготовках зона, расположенная непосредственно над конусом осаждения сформирована из различно ориентированных дендритов. Дендритный параметр в обычном металле составляет 0,39 мм, а в иноку л ирова нном 0,34 мм, а объемная доля дендритных осей соответственно 36 и 53 %, что свидетельствует об измельчении и уплотнении дендритной структуры при инокулированни.

Микростуктура в верхней части конуса осаждения и непосредственно вокруг трещин в основном трооститная или троосто-бейнитная, а в зоне дугообразных трещин игольчатость микроструктуры выражена более отчетливо. На рисунке 66 представлен фрагмент микроструктуры стали в зоне трещин в инокулированном металле. Отчетливо видны участки повышенной травимости (более темные), являющиеся как бы продолжением трещины и повторяющие контур междендритных участков. Можно предположить, что это так называемые «залеченные» трещины.

Значения мякротвердости в зоне дугообразных трещшг выше по сравнению с конусом осаждения в обычном и инокулированном металле, что, вероятно, объясняется повышенным содержанием углерода и легирующих элементов в этих участках.

а 6

Рисунок 6 — Дугообразная трещина (а) и микроструктура металла около дугообразных трещин в инокулированком металле (б), хбО.

Таким образом, исследования расположения и характера трещин, дендритной структуры и микроструктуры, позволяют сделать предположение, что их зарождение происходит в момент формирования кристаллического каркаса па стыке продвигающихся бокового фронта кристаллизации и конуса осаждения при наличии обогащенной примесями жидкой фазы в межден-дрнтных участках. Под действием усадочных явлений в твердо-жидком участке на стыке фронтов образуются трещины, которые, в основном, залечиваются жидким расплавом пограничного слоя. При продвижении стыка в нем вновь образуются трещины, но ввиду изменения геометрии смыкающихся поверхностей и изменившегося баланса напряжений (вертикальных и горизонтальных) новый фрагмент трещины будет иметь другой угол наклона к горизонтали. Меняющиеся по сечению напряжения и формируют специфическую, обрамляющую вершину конуса осаждения и состоящую из отдельных фрагментов, дугообразную форму трещин. Неплотные, не до конца залеченные фрагменты трещины вновь раскрываются под действием усадочных напряжений уже при отсутствии возможности их подпитки жидким металлом, но еще при его присутствии собственно в отдельных объемах вторично раскрывающихся трещин.

При инокулировании процесс формирования конуса осаждения был ускорен ранним (в процессе разливки) введением зародышей кристаллизации. Измельченная кристаллическая структура инокулированного металла, а также большая плотность дендритных осей обеспечила суммарно меньший объем незатвердевших междендритных участков к моменту залечивания об-

радовавшихся дугообразных трещин. Усадка этих кристаллизующихся разобщенных микрообъемов и обеспечила меньшее развитие дугообразных трещин в металле с измельченной кристаллической структурой. Поскольку более высокий конус осаждения сформировался раньше, чем в сравнительной отливке, диаметр жидкого ядра над ним был больше, что и обеспечило лучшие условия подпитки затвердевающих объемов и более эффективное залечивание трещин дугообразного вида.

Таким образом, при инокулировании дугообразные трещины эффективно залечиваются, а оставшиеся небольшие фрагменты успешно заковываются.

В пятой главе представлены результаты исследования неметаллических включений на 280 шлифах, вырезанных из обычной и инокулирован-ной заготовок.

Количество различных оксидных включений представлено в сводной таблице 3.

Таблица 3 Содержание различных оксидов в заготовках

Содержание различных оксидов Количество оксидов, %

Обычный металл Иноку л ирован кый металл

FeOMnO 25 30

FeO 1,5 -

2FeO-SiOi 20 15

2MnOSiQi 20 15

MnO-SiC>2 15 14

nFeOmMnOpSiOi 10 16

CrjOj 3 3

Cr2Oj FeOMnO 3 4

FeO-AhOj 0,5 0,5

FeO-FeiO? 0,5 0,5

FeOVjOi 1.5 2

Сульфидная фаза в заготовках представлена в виде твердого раствора сульфида железа и марганца. При отношении серы к марганцу, равном примерно 5 %, содержание железа в сульфидах составляет около 3 %.

Наблюдались сульфиды III типа - равномерно распределённые угловатые и глобулярные одновременно, образованию которых способствуют углерод и кремний при их концентрациях от 0,1 до 0,4 %, с содержанием алюминия примерно от 0,05 до 0,3 %.

Форма и равномерное распределение сульфидов типа Ш показывают, что это сульфиды кристаллизуются в расплаве. Включения данного типа имеют максимальную деформируемость при пластической деформации и тем легче, чем больше содержание в них сульфида марганца.

Оксисульфидная фаза в обычном и инокулированном металле представлена сложными сульфидами марганца, содержащими оксиды (FeO.MnO.SЮг) и FeS, имеющими глобулярную форму и неравномерное

расположение, иногда цепочками. По размерам эти включения намного превосходят оксиды и сульфиды.

Таким образом, идентификация неметаллических включений показала, что все включения имеют сложный состав, глобулярную форму, случайное расположение, что оказывает положительное влияние на технологические свойства стали.

Установлено, что инокулирование практически не влияет на природу включений.

Анализ литературных данных показал, что существенное влияние на свойства стали оказывает помимо других параметров, размер неметаллических включений. Различные виды разрушения обусловлены наличием включений разного размера. При хрупком разрушении неметаллические включения опасны лишь как первичный очаг, когда их размер

d>dh-p -(*/2(Klt/ot)2, (3)

где K]t - критерий хрупкого разрушения, сгт- предел текучести стали.

Анализ размеров оксидов в конусе осаждения показал, что в обычном и инокулированном металле они дисперсны и их размер не превышает 10 мкм. Размер сульфидных включений в обеих заготовках также не превышает 10 мкм, ко встречается небольшое количество более крупных, до 20 мкм, включений. Самые крупные включения - оксисульфиды, и в обычном и в инокулированном металле, их размер достигает 60 мкм и 50 мкм соответственно. Распределение включений по размерам в конусе осаждения представлено в таблице 4,

Полученные результаты являются косвенным подтверждением ускорения процесса кристаллизации конуса осаждения, с формированием более мелкой струкгуры, что приводит к уменьшению размеров оке и сульфидов.

Распределение по размерам неметаллических включений на различных горизонтах отливки представлено в таблице 5.

Таблица 4 Распределение неметаллических включений по размерам в

Вид включения Количество неметаллических включений в обычном /инокулированном металле, %

Размер включений, мкм 10 20 30 40 50 60

Оксид 100/96 0/4

Сульфид 94/90 6/10 - - - -

Оксисульфид 66/72 15/20 13/6 2/1 2/1 2/0

Таблица 5 Распределение неметаллических включений по размерам

Вид включения Количество неметаллических включений в обычном/шюкулированном металле, %

Размер включений, мкм 10 20 30 40 50 60 70 80

Горизонт 900 мм

Оксид 100/98 0/2 - - - - - -

Сульфид 77/87 21/13 2/0 - - - - -

Окси-сульфид 70/62 19/24 7/7 3/4 0/2 0/1 - 1/0

Г0риз01гт 1400 мм

Оксид 100/96 0/4 - - - - - -

Сульфид 82/94 13/6 4/0 1/0 - - - -

Оке и-сульфид 75/46 20/29 4/18 1/7 - - - -

Горизонт 2600 мм

Оксид 98/83 2/16 0/1 - - •

Сульфид 89/57 7/26 2/12 0/4 1/1 1/0 -

Окси-сульфид 80/55 13/20 5/19 1/2 1/2 0/2 - -

Результаты сравнительного анализа размеров включений обычного и инокулированного металла показали отсутствие различия в их распределении. Размеры оксидных включений мало меняются как по сечению отдельных горизонтов, так и от горизонта к горизонту. Оксидные включения в основном мелкие и размер их не превышает 10 мкм. Сульфидные включения представлены в основном размером 10 мкм, а размеры оксисульфидов достигают 80 мкм в обычном и 60 мкм в янокулированном металле.

Анализ результатов общей загрязненности литого металла различными видами включений показал, что в обычной заготовке преобладающим видом включений являются оксисульфиды, а затем, по степени убывания, сульфиды и оксиды. При этом загрязненность оксисульфидами почти в 3 раза превышает суммарную загрязненность сульфидами и оксидами. Аналогичная закономерность наблюдается и в инокулировапной заготовке. Однако, суммарная загрязненность всеми видами неметаллических включений металла с инокуляцией ниже в 1,5 раза. При этом общая загрязненность оксидами снизилась на 20 %, оксисульфидами на 45 %, а сульфидами увеличилась на 10 %, при общем снижении количества неметаллических включений на 55 %.

В таблице б приведены средние значения по загрязненности металла различными видами включений на трех горизонтах и в конусе осаждения.

Таблица 6 Загрязненность неметаллическими включениями на различных горизонтах отливок__

Исследуемые горизонты отливок Загрязненность неметаллическими включениями (обычный/ иноку лированный металл) Общая загрязненность (обыч-ный/ишжул. металл)

Оксид Сульфид Окснсульфид

Горизонт 2600 мм 0,0006/0,0003 0,0002/0,0004 0,0012/0,0013 0,0020/0,0020

Горизонт 1400 мм 0,0002/0,0002 0,0003/0,0002 0,0015/0,0008 0,0020/0,0012

Горизонт 900 мм 0,0003/0,0002 0,0001/0,0002 0,0017/0,0010 0,0021/0,0014

Конус осаждения 0,0004/0,0005 0,0004/0,0003 0,003/0,001 0,0038/0,0018

Общая загрязненность 0,0015/0,0012 0,0010/0,0011 0,0074/0,0041 0,0099/0,0064

Анализ средней загрязненности неметаллическими включениями различных горизонтов показывает, что в верхнем горизонте инокулированной отливки загрязненность оксидными включениями уменьшается в 2 раза, а загрязненность сульфидами возрастает в 2 раза. При этом загрязненность оксисульфидами практически не меняется.

На двух других горизонтах и в копусе осаждения загрязненность сульфидами и оксидами инокулированного металла практически не изменяется по сравнению с обычным. В среднем горизонте в инокулированном металле почти в два раза, по сравнению с обычным, снизилась загрязненность оксисульфидами.

В зоне, расположенной над конусом осаждения, в инокулированном металле, по сравнению с обычным, в 1,7 раза снизилась загрязненность по оксисульфидам,

В конусе осаждения инокулирование привело к уменьшению загрязненности оксисульфидами в 3 раза.

Таким образом, общая загрязненность обычного литого металла в 1,5 раза превышает загрязненность инокулированного, при этом размер включений в инокулированном металле уменьшается. Все это оказывает влияние и на процессы залечивания микрообъемов дугообразных трещин, облегчая фильтрацию расплава.

Анализ представленных результатов показал, что распределение неметаллических включений в отливке неразрывно связано с условиями кристаллизации отдельных ее зон и условиями конвективного перемещения жидкой стали в ней.

Шестая глава посвящена исследованию влияния инокулирования на химическую неоднородность и механические свойства промышленных валов из стали 38ХНЭМФА.

Результаты исследования влияния инокулирования на загрязненность неметаллическими включениями, размеры включений, дендритный параметр и химическую неоднородность по сечению и высоте заготовки показали, что в целом, по всем параметрам однородность заготовки улучшается. В Связи с этим, изучалось влияние инокулирования на изменение свойств по длине и сечению валов, полученных из крупных кузнечных заготовок.

Исследовали влияния инокулирования на стабильность механических свойств по длине двух поковок - промышленных валов.

На рисунке 7 представлено изменение распределения углерода по длине вала.

Длина поковки, м ■—Обычный металл —*— Инокугчрованный металл ;

Рисунок 7 — Распределение углерода по длине вала

Примечательно, что распределение углерода в осевых зонах валов согласуется с распределением углерода в осевых объемах заготовок, отлитых с инокуляторами н без них. Общая ликвация углерода по концам валов из обычной и ш[окулированной заготовки составила 53 и 19 % соответственно.

Наряду с уменьшением степени ликвации углерода в объеме металла поковок, в 1,8 раза снижается степень ликвации серы, что подтверждается серными отпечатками концевых дисков валов, изготовленных из обычной и инокулированной заготовки.

По результатам испытания механических свойств можно отмстить, что величина характеристик прочности, и в большей степени пластичности, не однородна по длине валов.

Коэффициенты равномерности распределения механических свойств по длине вала представлены в таблице 7.

Таблица 7 Коэффициент равномерности распределения механических свойств по длине вала '

Механические свойства поковок Коэффициент равномерности распределения механических свойств по длине вала из обычио-го/инокулироваиного металла, %

Предел текучести 19/16

Временное сопротивление 17/14

Относительное удлинение 50/23

Относительное сужение 74/40

Ударная вязкость при температуре испытания +20 "С 50/25

Ударная вязкость при температуре испытания -50 "С 100/82

Таким образом, все механические свойства по длине вала, полученного из инокулированного металла, распределены более равномерно, что позволяет исключить повторную термическую обработку.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Сравнительным анализом показателей механических свойств металла промежуточных валов, изготовленных из кузнечных слитков, отлитых в вакууме с формированием инокуляторов в струе и без них, выявлено преимущество разливки с инокуляторами, обеспечивающее повышение стабильности (снижение разброса) по длине изделий прочностных характеристик в 1,2 раза, пластических в 2 раза, ударпой вязкости в 1,2-2 раза (при температурах испытаний +20 °С и минус 50 °С).

2. Исследованием структуры литого металла исходных заготовок впервые установлено уменьшение дендритного параметра в 1,2 раза и повышение плотности дендритной структуры в 1,3 "раза в инокулированном металле. Эффективность инокулирования по критерию Флемингса кристаллической структуры различных зон литого металла составила 1,6-1,9.

3. Более плотная дендритная структура обеспечила меньшее развитие ликвационной неоднородности углерода, серы и фосфора в 1,5-3 раза как в литом, так и в деформированном металле.

4. Установлено, что уплотнение дендритной структуры, приводящее к снижению объемов междендритных пространств, обеспечило существенное (в 3-5 раз) снижение развития дугообразных трещин

и, как следствие, облегчение их закова при пластической деформации.

5. Показано, что, не изменял природы неметаллических включений, инокулирование приводит к снижению загрязненности оксидами в 1,25 раза, оксисульфидами в 1,8 раза при снижении максимального размера последних с 80 до 50 мкм.

6. Установлено, что в инокулированном литом металле параметры кристаллической структуры, распределение неметаллических включений и ликвирующих примесей (углерода, серы и фосфора) более однородны по всему объему, что и обеспечивает большую стабильность характеристик механических свойств металла готовых изделий тяжелого машиностроения.

7. Экономический эффект получен за счет исключения повторных термических переработок готовых машиностроительных изделий в связи с более стабильными исходными параметрами кристаллической структуры, неметаллических включений и ликвации и па опытно-промышленной партии составил 1 205 199 рублей.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Дугообразные трещины в крупном кузнечном слитке/С.И.Жульев Г.П.Шевкун, В.Ф.Петрова, Н.С.Масловская//Изв.Вузов. Черкая металлургия.-2006,- №11.- С. 31-35.

2. Влияние инокуляторов на загрязненность и распределение неметаллических включений в крупном кузнечном слитке/ С.И. Жуль-ев, Г.П.Шевкун, В.Ф.Петрова, С.С. Горемыки на, Л.В. Палатки-наЛТехнология металлов: журнал.- 2006.-№6,- С.9-11.

3. Влияние инокуляторов на загрязненность неметаллическими включениями крупного кузнечного слитка/С .И .Жульев, Г.П. Шев-кун, В.Ф.Петрова, С.С.Горемыкина, Л.В. ПалаткинаУ/Изв. Ву-зов.Черная металлургия: журнал.-2005.-№7.-С.18-20.

4. Исследование макро- и микроструктуры конуса осаждения слитка стали Э8ХНЗМФА /С.И.Жульев, Г.П.Шевкун, В.Ф. Петрова, М.С, Маркина// Современные проблемы металлургического производства: Сб. тр. междунар. науч.-тех. конф,, Волгоград, 1-3 октября 2002 г./ВолгГТУ и др.- Волгоград, 2002.- С. 263-266.

5. Исследование параметров макроструктуры конуса осаждения крупного слитка /М.С.Маркина, В.Ф.Петрова, С.И.Жульев, Г.П.Шевкун/ЛЛ Региональная конференция молодых исследова-

телей Волгоградской области, г. Волгоград, 13-16 ноября 2001 г.; Тезисы докладов /ВолгГТУ и др.- Волгорад, 2002. - СЛ 04-105.

6. Исследование неметаллических включений и параметров дендритной структуры конуса осаждения слитка стали Э8ХНЗМФА/ Г.П.Шевкун, В.Ф.Петрова, М.С.Маркина// Научные сообщения КДН: Бюллетень /Волгогр. клуб докторов наук.-Волгоград, 2004. -■Nal3.-C.5-7.

7. Влияние инокуляторов на загрязненность неметаллическими включениями конуса осаждения крупного кузнечного слитка/ Г.П.Шевкун, В.Ф.Петрова, С.С.Горемыкина, Л.В.Палаткина // Научные сообщения КДН: Бюллетень /Волгогр. Клуб докторов наук.-Волгоград, 2004. - №13.-С.75-77.

8. Исследование влияния иноку ляторов на загрязненность неметаллическими включениями конуса осаждения крупного кузнечного слитка /С.С.Горемыкина, Л.В.Палаткина, Г.П.Шевкун, 8 .Ф.Петрова //VIII Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области, г.Волгоград, 11-14 ноября 2003 г.: Тезисы докладов /ВолгГТУ и др.- Волгорад, 2004,- С. 180-181,

9. Механизм формирования дугообразных трещин в кузнечном слитке из стали 38ХЮМФА/ С. И.Жульев,Г.П.Шевкун, В.Ф.Петрова, Н.С, Масловская// Научные сообщения КДН: Бюллетень /Волгогр. Клуб докторов наук.-Волгоград, 2005. - №14.-С.б1-66.

10.К механизму формирования дугообразных трещин в кузнечном слитке / Г.П.Шевкун, В.Ф.Петрова, Н.С.Масловская, К.Ю.Бод,

A.П.Фомеико//Высокне технологии в машиностроении: матср. Междунар. науч.-техн. конф,, г.Самара, 19-21 октября 2005 гJ Са-мар. гос. техн. ун-т.- Самара, 2005.-С.243-244

11. Исследование параметров макро- и микроструктуры конуса осаждения слитка стали 38ХНЭМФА /С. И.Жульев, Г.П.Шевкун,

B.Ф.Петрова, М.С.Маркина//Изв. ВолгГТУ. Сер. Материаловедение и прочность элементов конструкций: межвуз. сб. науч. ст7 ВолгГТУ ,-2005.-Вып.1,№3.- С.50-51.

12.Влияние инокуляторов на некоторые параметры микроструктуры кузнечного слитка из стали 38ХНЗМФА/ С.И.Жульев, Г.П. Шев-кун, В.Ф.Петрова,С.С.Горемыкина, Л.В.Палаткина//Изв. ВолгГТУ. Сер. Материаловедение и прочность элементов конструкций: межвуз. сб. науч. ст./ ВолгГТУ.-2005.-Вып.1, №3.- С.45-47.

13.Влияние инокуляторов на загрязненность неметаллическими включениями крупного кузнечного слитка/С.И.Жульев, Г.П. Шев-кун, В.Ф.Петрова, С.С.Горемыкина, Л.В.Палаткина.// Научные сообщения КДН: Бюллетень /Волгогр. Клуб докторов наук.-Волгоград, 2005. - Nal4.-C.56-6!.

14 .Исследование влияния инохулирования на параметры дендритной структуры крупного кузнечного слнтка/П.С.Рвачев, Г.П. Шевкун, В.Ф.Петрова //X Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области, г.Волготрад, 8-10 ноября 2005 г.: Тезисы докладов /ВолгГТУ и др.- Волгорад, 2006.- С.182-184.

15.Влияние инокулирование на развитие дугообразных трещин в крупных кузнечных слитках / Н.С.Бод, С.И.Жульев, Г.П.Шевкун, В.Ф.Петрова// X Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области, г.Волготрад, 8-10 ноября 2005 г.: Тезисы докладов /ВолгГТУ и др.- Волгорад, 2006.- С.138-139.

Личный вклад автора опубликованные работы. Все выносимые на защиту научпые и практические результаты получены автором лично или в соавторстве. В работах [2,3,7,8,13] автором получены и проанализированы результаты исследования природы, размеров, распределения и загрязненности неметаллическими включениями крупных отливок. В работах [1,9,10,15] рассмотрен механизм формирования дугообразных трещин и способы уменьшения этого дефекта. В работах [4,5,6,7,11] проведено исследование параметров микро- и макроструктуры конуса осаждения крупного кузнечного слитка и оценено влияние инокуляторов па исследованные параметры. В работах [12,14] оценено влияние инокулирования на дендритную структуру отливок с использованием универсальной компьютерной программы, позволяющей быстро и точно провести исследование.

Подписано в печать ¿V Н .2006 г. Заказ № 8$5 . Тираж 100 экз. Печ. л. 1,0 Формат 60 х $4 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Типо1рафня РПК «Политехник» Волгоградского государственного технического университета.

400131, г. Волгоград, ул. Советская, 35

0?ЫЛЛ- Vf

Введение

Глава 1. Влияние инокулирования на макро- и микро- 9ктуру литого металла

1.1 Особенности строения отливки

1.2 Влияние инокуляторов на кристаллизацию отливок

1.3 О влиянии инокулирования на кристаллическое строение отливок

1.4 Неметаллические включения в крупных отливках

1.4.1 Поведение включений при кристаллизации стали

1.4.2 Распределение неметаллических включений в отливке

1.4.2.1 Распределение оксидных включений

1.4.2.2 Распределение сульфидных и оксисульфидных включений

1.5 Дендритная неоднородность отливки

Глава 2 Материал и методика исследования

2.1 Сведения о материале исследования

2.2 Методика исследования

2.2.1 Методика приготовления микрошлифов

2.2.2 Методика определения природы неметаллических включений

2.2.3 Методика определения индекса загрязненности и размера неметаллических включений

2.2.4 Методика определения параметров дендритной структуры

2.2.5 Методика исследования микроструктуры

2.2.6 Методика определения микротвердости

2.2.7 Методика определения химической неоднородности

2.2.8 Методика исследования металла поковок

Глава 3 Исследование влияния инокулирования на химическую неоднородность литого металла

Глава 4 Исследование влияния инокулирования на дендритную структуру заготовки

4.1 Влияние инокулирования на формирование дендритной структуры отливки

4.2 Исследование влияния инокулирования на развитие дугообразных трещин

Глава 5 Исследование влияния инокулирования на микроструктуру заготовки

5.1 Исследование влияния инокулирования на природу неметаллических включений

5.2 Исследование влияния инокулирования на размер и распределение неметаллических включений в различных сечениях отливок

5.3 Исследование влияния инокулирования на загрязненность литого металла неметаллическими включениями

Глава 6 Исследование влияния инокулирования на химии-ческую неоднородность и механические свойства промышленных валов из стали 38ХНЗМФА

Производство изделий ответственного назначения, роторов турбогенераторов, судовых валов, изделий для энергетических машин и для других отраслей тяжелой промышленности - является важным направлением в развитии отечественного машиностроения. Все крупные уникальные изделия изготавливаются из стальных отливок большой массы.

Высокие требования, предъявляемые к качеству таких изделий, могут быть достигнуты при обеспечении структурной однородности металла по длине и сечению крупногабаритных изделий, а также при низком уровне и стабильном составе неметаллических включений и примесей, влияющих на характеристики механических свойств.

Повышение структурной плотности металла в литом состоянии достигается посредством ускоренного охлаждения кристаллизующегося расплава. В.А. Ефимов, С.С. Затуловский сформулировали теоретические основы и дали практические рекомендации по использованию внутренних теплостоков, обеспечивающих ускоренный теплоотвод и измельчение дендритной фазы исходного литого металла. Существенный вклад в развитие теории и технологии суспензионной разливки внесли работы Н.Т.Гудцова, A.A. Рыжикова, Ю.З. Бабаскина, A.M. Мадянова, Г.Ф. Баландина, Б.Б. Гуляева, М.Флемингса, D.Turnbull.

Введение дополнительных центров кристаллизации, уплотняя дендритную структуру, снижает развитие ликвационной неоднородности и обеспечивает равномерное распределение неметаллических включений в готовом металле. Природу неметаллических включений, их величину и расположение в металле ответственных машиностроительных изделий исследовали В.И. Явойский, B.C. Дуб, A.B. Дуб, Ю.А. Шульте, К. Нарита, М.И. Виноград, В.Даль. В их работах подчеркивалась значительная роль параметров неметаллической фазы в обеспечении служебных свойств деталей. Измельчение и уплотнение дендритной структуры, снижение ликвационной неоднородности обеспечивалось традиционными инокуляторами (дробью, порошком, обсечками). При этом выявлено увеличение количества оксидной фазы, негативно влияющей на характеристики механических свойств. С появлением работ С.И. Жульева, H.A. Зюбана, К.Е. Титова по введению эндогенных инокуляторов в металл появилась возможность сократить рост загрязненности металла оксидами, так как исключалось введение твердых, предположительно окисленных частиц.

Однако остается открытым вопрос об оценке влияния инокулирования на структурные параметры литого металла, определяющие, в конечном итоге, служебные свойства крупногабаритных-изделий ответственного назначения.

Актуальность диссертационной работы подтверждается проектом Министерства промышленности, науки и технологии 6/354-03 "Разработка технологии производства металлургических заготовок повышенной однородности для изделий тяжелого машиностроения" (2003 г.) по распоряжению №3.900/41-68 от 26.03.2003 г.

Промышленные эксперименты проводились на ФГПУ ПО «Баррикады».

Цель работы - повысить служебные свойства готовых крупногабаритных деталей тяжелого машиностроения за счет повышения химической однородности, измельчения дендритной структуры и снижения количества неметаллических включений при применении инокулирования, для исключения повторных термических обработок на заключительной стадии производства.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи.

1. Исследовать уровень и распределение по длине показателей механических свойств металла промышленных валов из стали 38ХНЗМФА, полученных по различным производственным технологиям.

2. Изучить влияние инокулирования на природу и распределение неметаллических включений, параметров дендритной структуры и химическую неоднородность металла исходных литых заготовок.

3 Провести оценку влияния исследуемых факторов на показатели механических свойств готовых изделий машиностроения и дать рекомендации по применению инокулирования.

Научная новизна. Впервые установлено, что введение эндогенных ино-куляторов в процессе разливки привело к уплотнению и измельчению дендритной структуры, снизило объемную ликвационную неоднородность и сократило количество оксидной фазы на 55 % по сравнению с использованием традиционных инокуляторов.

Показано, что уменьшение дендритного параметра в 1,2 раза и повышение плотности дендритных осей в 1,3 раза в инокулированном металле, что обеспечивает меньшее развитие ликвации углерода, серы и фосфора.

Уплотнение дендритной структуры снижает объем междендритных пространств и обеспечивает существенное снижение развития дугообразных трещин.

При применении инокулирования параметры кристаллической структуры, распределение неметаллических включений и ликвирующих примесей более однородны по всему объему заготовки, что обеспечивает стабильность характеристик механических свойств металла готовых изделий тяжелого машиностроения.

Впервые по значению дендритного параметра стало возможным оценить эффективность внешнего воздействия (инокулирования) на металл в условиях разливки и последующей кристаллизации.

На защиту выносятся:

1) Результаты исследования химической неоднородности заготовок и промышленных валов из стали 38ХНЭМФА, полученных разливкой в вакууме и при распылении струи металла с образованием инокуляторов.

2) Результаты детального исследования воздействия инокуляторов на формирование дендритной структуры.

3) Оценка эффективности влияния инокулирования на различные зоны заготовок.

4) Результаты исследования воздействия инокуляторов на природу, размер, распределением загрязненность неметаллическими включениями.

5) Выявлена связь между первичной структурой литого металла и служебными свойствами готовых изделий тяжелого машиностроения.

Практическая ценность. Полученные результаты позволили устранить повторные термические обработки крупногабаритных изделий за счет более высоких характеристик литого металла слитка по структурной и химической однородности и снижения размера и количества в нем включений при разливке слитков с инокулированием струи металла в вакууме.

Использование заготовок, полученных при инокулировании, позволило улучшить качество выпускаемой продукции, и, за счет этого, устранить повторные термические переработки длинномерных изделий. Экономический эффект составил 1205,199 тыс. руб.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы представлены на следующих конференциях и семинарах: Современные проблемы металлургического производства (Волгоград, 2002 г); VI, VIII, X Региональных конференциях молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград, 2001,2004,2005 гг), Высокие технологии в машиностроении (Самара, 2005).

Достоверность полученных результатов основана на большом массиве экспериментальных данных, полученных на образцах литого и деформированного металла с применением металлографических микроскопов ОЫМРиБ ВХ61, МИМ-8, МБС-9, микротвердомеров ПМТ-3, а также с использованием компьютерных программ - определения плотности дендритной структуры и дендритного параметра.

Автор приносит глубокую благодарность научному руководителю диссертационной работы доктору технических наук, профессору С.И. Жульеву.

Большую признательность автор выражает преподавателям, сотрудникам и аспирантам кафедры «Технология материалов» и в первую очередь кандидату технических наук, доценту Г.П.Шевкун за неоценимую помощь, оказанную при выполнении работы.

Автор благодарит заведующего кафедрой «Материаловедение и композиционные материалы» доктора технических наук, профессора Трыкова Ю.П. и сотрудников этой кафедры, оказавших содействие при проведении исследования микроструктуры и микротвердости.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Сравнительным анализом показателей механических свойств металла промышленных валов, изготовленных из кузнечных слитков, отлитых в вакууме с формированием инокуляторов в струе и без них, выявлено преимущество разливки с инокуляторами, обеспечивающее повышение стабильности (снижение разброса) по длине изделий прочностных характеристик в 1,2 раза, пластических в 2 раза, ударной вязкости в 1,2-2 раза (при температурах испытаний +20 °С и минус 50 °С).

2. Исследованием структуры литого металла исходных заготовок впервые установлено уменьшение дендритного параметра в 1,2 раза и повышение плотности дендритной структуры в 1,3 раза в инокулированном металле. Эффективность инокулирования по критерию Флемингса кристаллической структуры различных зон литого металла составила 1,6-1,9 раза.

3. Более плотная дендритная структура обеспечила меньшее развитие ликвационной неоднородности углерода, серы и фосфора в 1,5-3 раза как в литом, так и в деформированном металле.

4. Установлено, что уплотнение дендритной структуры, приводящее к снижению объемов междендритных пространств, обеспечило существенное (в 3-5 раз) снижение развития дугообразных трещин и, как следствие, облегчение их закова при пластической деформации.

5. Показано, что, не изменяя природы неметаллических включений, инокулирование приводит к снижению загрязненности оксидами в 1,25 раза, оксисульфидами в 1,8 раза при снижении максимального размера последних с 80 до 50 мкм.

6. Установлено, что в инокулированном литом металле параметры кристаллической структуры, распределение неметаллических включений и ликвирующих примесей (углерода, серы и фосфора) более однородны по всему объему, что и обеспечивает большую стабильность характеристик механических свойств металла готовых изделий тяжелого машиностроения.

7. Экономический эффект получен за счет исключения повторных термических переработок готовых машиностроительных изделий в связи с более стабильными исходными параметрами кристаллической структуры, неметаллических включений и ликвации и на опытно-промышленной партии составил 1 205 199 рублей.

1. Затуловский, С.С. Суспензионная разливка /С.С. Затуловский.- Киев: Наукова думка, 1981.- 260 с.

2. Ефимов, В.А. Разливка и кристаллизация стали /В.А.Ефимов.- М.: Металлургия, 1976.- 552 с.

3. Жульев, С.И. Производство и проблемы качества кузнечного слитка: монография /С.И. Жульев, H.A. Зюбан; ВолгГТУ. Волгоград: РПК «Политехник», 2003.- 168 с.

4. Строганов, А.И. Производство качественной стали в мартеновских печах /А.И.Строганов, М.И.Колосов.- М.: Металлургиздат, 1961.- 356 с.

5. Новиков, И.И. Дендритная ликвация в сплавах /И.И.Новиков, B.C. Зо-лотаревский.- М.: Наука, 1966.- 341 с.

6. Чалмерс, Б. Теория затвердевания / Б. Чалмерс.- М.: Металлургия, 1968.- 288 с.

7. Чалмерс, Б. Физическое металловедение /Б. Чалмерс.- М.: Металлургия, 1963 = 455 с.

8. Мовчан, Б.А. Микроскопическая неоднородность в литых сплавах / Б.А.Мовчан,- Киев: Гостехиздат, 1962.- 340 с.

9. Берве, И. Изменение содержания кислорода и азота при продувке стали на воздухе, в защитной атмосфере и вакууме /И. Берве, Ж. Гравен-хорст // Черные металлы.- 1962.- №5.- С.35-44

10. Ю.Шульте, Ю.А. Неметаллические включения в электростали /Ю.А. Шульте, И.П. Волчо^ Е.И. Пинчук // Литейное производство.-1971.-№3.- С.29-31.

11. Рыжиков, A.A. Совершенствование технологии стального литья /А.А.Рыжиков, В.И.Рощин, В.И.Фокин.- М.: Машиностроение, 1977.144 с.

12. Гиршович, Н.Г. Затвердевание отливок /Н.Г.Гиршович, Ю.А. Нехенд-зи.- М.: Машгиз, 1958,- 390 с.

13. Гуляев, Б.Б. Литейные процессы /Б.Б.Гуляев.- М.: Машгиз, I960,- 416 с.

14. Ефимов, В.А. Стальной слиток /В.А.Ефимов.- М.: Металлургиздат, 1961.-358 с.

15. Иванцов, Г.П. К вопросу о возможности «дождя кристаллов» в стальном слитке /Г.П.Иванцов //Сталь.- 1952.- №10.- С.22-31.

16. Специальные способы литья //Справочник под общ. ред. В.А. Ефимова.- М.: Машиностроение, 1991.- 485 с.

17. П.Вай^ард, У. Введение в физику кристаллизации металлов /У. Вайн-гард.-М.:Мир,1967.- 171 с.

18. Саратовкин, Д.Д. Дендритная кристаллизация /Д.Д. Саратовкин.- М.: Металлургиздат, 1957.- 127 с.

19. Явойский, В.И. Металлургия стали /В.И. Явойский, Ю.В. Кряковский, В.П.Григорьев.- М.:Металлургия,1983.- 584 с.

20. Колосов, М.П. Качество слитка спокойной стали /М.П.Колосов, М.П.Строганов, Ю.Д.Смирнов.- М.: Металлургия, 1973.- 408 с.

21. Гудцов, Н.Т. Стальной слиток /Н.Т.Гудцов,- М.: Металлургиздат, 1952.- 534 с.

22. Гуляев, Б.Б.Затвердевание и неоднородность стали /Б.Б.Гуляев.- М.: Металлургиздат, 1950.- 228 с.

23. Нарита, К Кристаллическая структура неметаллических включений в стали /К. Нарита; пер. с япон. В.А.Митькина; под. ред. П.П. Арсентьева.- М.: Металлургия, 1969.- 190 с.

24. Скок, Ю.А. Снижение зональной химической неоднородности слитков путем модифицирования слитка / Ю.А.Скок, Г.А.Лубенец, Ф.И. Нечепоренко//Сталь.- 1986.-№2.-С. 19-22.

25. Гаврилин, И.В. Классификация видов суспензионного литья /И.В.Гаврилин, А.А.Рыжиков, А.В.Панфилов // Суспензионное литье; сб. науч. тр. Киев: ИПЛ АН УССР, 1977.- С.30-34

26. Данилов, В.И. Влияние условий кристаллизации на структуру алюминиевого слитка /В.И.Данилов, В.Е. Неймарк // Металлург.- 1938.-№10,- С.34-43

27. Новицкий, В.К. Исследование слитков с внутренними кристаллами /В.К. Новицкий, A.B. Микульчик, В.В. Блинов // Кристаллизация металлов; тр. IV совещания по теории литейных процессов АН СССР.-М,- 1960.- С.112-120.

28. Рыжиков, A.A. Улучшение качества отливок /A.A. Рыжиков.- М.Свердловск: Машгиз, 1952.- 267 с.

29. Ефимов, В.А. Разливка стали в слитки /В.А. Ефимов // Формирование стального слитка. М.: Металлургия, 1986.- С.6-13

30. Самойлович, Ю.А. Формирование слитка /Ю.А. Самойлович.- М.: Металлургия, 1977.- 160 с.

31. Неймарк, В.Е. Модифицированный стальной слиток /В.Е. Неймарк.-М.: Металлургия, 1977.- 200 с.

32. Абрамов, В.П. Однородность непрерывного слитка из углеродистой стали после суспензионной разливки /В.П. Абрамов, С.С. Затулов-ский, Н.П. Майоров // Проблемы стального слитка; тр. IV конференции по слитку.- М.: Металлургия, 1969.- С. 497-499.

33. Кутищев, С.М. Особенности отливки стальных слитков с охлаждающим инокулятором /С.М. Кутищев // Физико-химической воздействие на кристаллизацию стали; сб. науч. тр. Киев: ИПЛ АН УССР, 1982.-С. 121-126.

34. Гольдштейн, Я.Е. Инокулирование железо-углеродистых сплавов /Я.Е. Гольдштейн, В.Г. Мизин.- М.: Металлургия, 1993.- 416 с.

35. Бабаскин, Ю. 3. Структура и свойства литой стали /Ю.З. Бабаскин. -Киев: Наукова думка, 1980.- 240 с.

36. Виноград, М.И. Включения в легированных сталях и сплавах /М.И.Виноград, Г.П.Громова.- М.: Металлургия, 1971.- 216 с.

37. Явойский, В.И. Включения и газы в сталях и сплавах /В.И. Явойский, С.А. Бизнюков.- М.: Металлургия, 1979.- 272 с.

38. Даль, В. Поведение сульфидов разного типа при деформации и их влияние на механические свойства стали /В.Даль, X. Хенгстенберг, К.Дюрен// Черные металлы.-1971.- №13.- С.28-41.

39. Даль, В. Условия образования сульфидных включений различных типов /В. Даль, X. Хенгстенберг, К. Дюрен// Черные металлы.- 1971.-№13.- С. 17-27.

40. Мовчан, А.Б. Микроскопическая неоднородность в литых сплавах /А.Б.Мовчан,- Киев, Гостехиздат, 1962.- 340 с.

41. Скобло, С.Я. Структурообразование слитков спокойной стали /С.Я. Скобло // Проблемы стального слитка; труды III конференции по слитку.- М.: Металлургия, 1969.- С.33-38.

42. Волков, С.Е.Неметаллические включения и дефекты в электрошлаковом слитке /С.Е.Волков, А.Е.Волков, Ю.И.Забалуев.- М.: Металлургия, 1979.- 136 с.

43. Голиков, И. Н. Дендритная ликвация в сталях и сплавах /И.Н.Голиков, С.Б. Масленков. М.: Металлургия. 1977.- 342 с.

44. Лаборатория металлографии //Под ред. Б. Г. Лившица. М.: Металлургия, 1965.-250 с.

45. Металловедение и термическая обработка // Справочник под ред. М. Л. Бернштейна и А. Г. Рахштадта. 4-е изд. т.1.1. М.: Металлургия. 1991.-394 с.

46. Штейнберг, С.С. Металловедение /С.С.Штейнберг.- Свердловск: Ме-таллургиздат, 1961,- 598 с.

47. Лившиц, Г.Л. К вопросу о механизме образования нижнего конуса в слитке /Г.Л.Лившиц // Сталь.- 1952.- №6.- С.518-519.

48. Скобло, С.Я. Механизм образования конуса осаждения в слитке. /С.Я. Скобло, П.М. Донцов // Сталь.-1951.- №6.- С.535-543.

49. Чернов, Д.К. Наука о металлах /Д.К.Чернов.- М. Металлургиздат, 1950.-564 с.

50. Хворинов, Н.И. Кристаллизация и неоднородность стали /Н.И.Хворинов.- М.: Машгиз, 1958.- 392 с.

51. Колосов, М.И. Разливка стали /М.И. Колосов, А.П. Кульбацкий.- М.: Металлургиздат, 1957.-211 с.

52. Новиков, И.И. Дендритная ликвация в сплавах. /И.И. Новиков, B.C. Золотаревский.- М.: Наука, 1966.-312 с.

53. Лебедев, В.Н. Крупные поковки для валов турбогенераторов /В.Н.Лебедев, В.М.Коровина, П.И.Варакин.- М.: Машиностроение, 1968.- 120 с.

54. Трубин, К.Г. Металлургия стали /К.Г. Трубин, Г.Н. Ойкс.- М.: Металлургия, 1970.- 621 с.

55. Металлография железа. Кристаллизация и деформация сталей// Пер. с англ. Херодинашвили З.Ш., Даниленко Л.П.; под ред. Тавадзе Ф.А., М.: Металлургия, 1972.- 218 с.

56. Тагеев, В.М. Неоднородность строения стальных слитков и отливок /В.М. Тагеев // Стальной слиток.- М. Металлургиздат, 1952.- С.40-66.

57. Казаков, A.A. Кислород в жидкой стали /A.A. Казаков.-М.: Металлургия, 1972.- 199 с.

58. Ершов, Г.С. Строение жидких и твердых металлов /Г.С.Ершов, Г.А.Черняков.- М.: Металлургия, 1978.- 248 с.

59. Скобло, С .Я. Слитки для крупных поковок /С.Я. Скобло, Е.А.Казачков.- М.: Металлургия 1973.- 248 с.

60. Шпис, Х.И. Поведение неметаллических включений в стали при кристаллизации и деформации / Х.И. Шпис.- М.: Металлургия, 1971.- 126 с.

61. Малиночка, Я.Н. Конус осаждения в слитке спокойной стали /Я.Н. Малиночка, Т.М.Титова// Сталь.- 1989,- №11.- С.26-31.

62. Фесенко, А.Н. Влияние химического состава на параметры дендритной структуры стали /А.Н. Фесенко, Ю.В. Латаш, В.Г. Глущенко //Проблемы специальной электрометаллургии.- 1985.- №1.- С.24-29.

63. Лапотышкин, Е.М. Трещины в стальных слитках /Е.М. Лапотышкин, A.B. Лейтес.- М.: Металлургия 1969.- 112 с.

64. Червяков, А.Н. Металлографическое определение включений в стали /А.Н.Червяков, С.А.Киселева.- М.: Металлургия, 1980.- 380 с.

65. Виноград, М.И. Включения в стали и ее свойства /М.И. Виноград,-М.: Металлургия, 1963,- 320 с.

66. Флеминге М.К. Процессы затвердевания /М.К. Флеминге: пер с англ. М.: Мир, 1977.-423 с.

67. Вихляев, В.Б. Исследование взаимосвязи между скоростью кристаллизации стали и ликвацией примесей в слитке /В.Б. Вихляев, В.А. Ефимов, Н.Я. Ищук //Разливка стали и качество слитка, сб.науч.тр.-Киев.-1971.- С. 167-172

68. Просвирин, К.С. К вопросу о механизме формирования конуса кристаллов в стальных слитках /К.С. Просвирин, Ю.А. Павленко, Н.И. Зигало // Изв. вузов. Черная металлургия, 1983.- №7.- С.35-39

69. Селиванов,В.Н. О формировании конуса осаждения в слитках спокойной стали /В.Н. Селиванов// Проблемы стального слитка; труды IV конференции по слитку.- М.: Металлургия, 1969.- С. 136-138.

70. Казачков, Е.А. Механизм формирования донной части крупных стальных слитков /Е.А. Казачков, Л.И. Мосюра, Н.П. ЛипкаЛ Известия вузов. Черная металлургия.- 1981.-№1.- С.41-44.

71. Сирота, H.H. Состояние и проблемы теории кристаллизации //Кристаллизация и фазовые переходы.- Минск: Наука и техника, 1962.- С.11-58.

72. Журавлев, В.А. Теплофизика формирования непрерывного слитка /В.А.Журавлев, Е.М.Китаев.- М.:Металлургия,1974.- 215 с.

73. Новиков, И.И. Измельчение зерна при вибрации кристаллизующегося расплава. /И.И. Новиков, Г.А. Корольков, В.В. Соловьев //Литейное производство.- 1959.- №2.- С. 8-12.

74. Ефимов, В.А. Влияние внешних воздействий на жидкий и кристаллизующийся металл /В.А.Ефимов // Проблемы стального слитка. Киев: ИПЛ АН УССР, 1988.- С. 4-21.

75. Самарин, A.M. Физико-химические основы раскисления стали /А.М.Самарин.- Изд-во АН СССР, 1956.- 162 с.

76. Явойский, В.И. Теория процессов производства стали/В.И. Явой-ский,- М.: Металлургиздат, 1963.- 820 с.

77. Шульте Ю.А. Неметаллические включения в электростали /Ю.А. Шульте.- М.: Металлургия, 1964.-207 с.

78. Морозов, А.Н. Раскисление мартеновской стали. / А.Н.Морозов, А.И.Строганов.- М.: Металлургиздат, 1955.- 256 с.

79. Мчедлишвили, В.А. Изучение раскисления стали силикомарган-цем./В.А.Мчедлищвили, А.М.Самарин.- М.: Изд-во АН СССР, 1953.39 с.

80. Филиппов, С.И. Теория процесса обезуглероживания стали /С.И.Филиппов.-М.: Металлургиздат. 1956,- 166 с.

81. Кислинг, Р. Неметаллические включения в стали./Р. Кислинг, Н. Лан-ге.- М.: Металлургия. 1968.- 123 с.

82. Самсонов, Г.В. Физико-химические свойства окислов. /Г.В.Самсонов, А.Л.Борисова, Т.Г.Жидкова.-М.: Металлургия, 1978.-471 с

83. Кройцер, Г.В. Вакуумная обработка жидкой стали /Г.В. Кройцер // Черные металлы.- 1972.- №15.- С.9-18.

84. Соколов, Г.А. Внепечное вакуумирование стали /Г.А.Соколов.- М.: Металлургия, 1977.- 206 с.

85. Казачков, В.А. Исследование кинетики кристаллизации крупных слитков /В.А. Казачков, Е.И. Ревтов, В.А. Федоров // Проблемы стального слитка: труды VI конференции по слитку. М.: Металлургия, 1976,- С.90-94.

86. Скворцов, A.A. Влияние внешних воздействий на процесс формирования слитков и заготовок. /А.А.Скворцов, А.Д.Акименко, В.А.Ульянов.- М.: Металлургия, 1991.- 217 с.

87. Салтыков, С.А. Стереометрическая металлография. /С.А.Салтыков.-М.: Металлургия, 1976.- 272 с.

88. Микульчик, A.B. Химическая неоднородность в слитках спокойной стали. /A.B. Микульчик // Проблемы стального слитка: труды V конференции по слитку.- М.: Металлургия, 1974.- С.543-545.

89. Явойский, В.И. Раскисление и образование неметаллических включений в стали при различных температурных условиях /В.И. Явойский // Сталь и неметаллические включения.- М.: Металлургия .- 1976.- С. 1838.

90. Ицкович, Г.М. Раскисление стали и модифицирование неметаллических включений /Г.М.Ицкович.- М.: Металлургия, 1980.- 295 с.

91. Куклицкий, А.Б. Неметаллические включения и усталость стали /А.Б. Куклицкий,- Киев: Техника, 1976.- 126 с.

92. Малиночка, Я.Н. Об образовании и расположении сульфидов марганца в сталях /Я.Н. Малиночка, Г.З.Ковальчук, А.Н. Багняк // Сталь,-1979.- №9,- С.103-106.

93. Гольдштейн, Я.Е. Влияние природы и характера неметаллических включений на обрабатываемость стали /Я.Е.Гольдштейн, А.Н.Морозов // Сталь.- 1978.- №7. С.655-658.

94. Жульев, С.И. Осевые трещины в крупном стальном слитке /С.И. Жульев, С.Н. Чекалин, К.Е. Титов // Вестник «Фундаментальные проблемы металлургии», г. Екатеринбург. 2002. №5.- С. 12-14.

95. Скобло, С.Я. Слитки для крупных поковок /С.Я. Скобло, Е.А.Казачков. М: Металлургия, 1973. - 248 с.