автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Исследование высокоалюминиевых чугунов промежуточной зоны (ВАЧП) и разработка технологии их получения для фасонных отливок

А

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Суханов Александр Сабирович

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОАЛЮМИНИЕВЫХ ЧУГУНОВ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ЗОНЫ (ВАЧП) И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ ДЛЯ Ф АСОННЫХ ОТЛИВОК

Специальность: 05. 16. 04. - "Литейное производство"

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Г.А.Косников

Санкт-Петербург 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.....................................................................................................5

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

(обзор литературы).....................................................................................7

1.1. Диаграммы состояний Fe-Al и Fe-Al-C сплавов....................................10

1.2. Половинчатые чугуны на базе системы Fe-C-Si.....................................14

1.3. Особенности формирования структуры и свойств высокоалюминиевых чугунов

1.3.1. Влияние алюминия на структуру чугуна........................................24

1.3.2. Влияние алюминия на жаростойкость и ростоустойчивость чугуна...........................................................28

1.3.3. Влияние алюминия на физико-механические

свойства чугунов.............................................................................30

1.4. Влияние скорости охлаждения на структуру алюминиевых

чугунов.....................................................................................................38

1.5. Выводы, цель и задачи работы..........................................................41

2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Методика проведения экспериментов....................................................43

2.2. Дифференциальный термический анализ (ДТА)...................................45

2.3. Разработка методики выявления и оценки фазового состава ВАЧП

2.3.1. Методика выбора металлографических реактивов для выявления структуры ВАЧП...........................................................45

2.3.2. Методика металлографического исследования

образцов ВАЧП........;........................................................................48

2.3.3. Фазовый качественный анализ образцов ВАЧП............................49

2.4. Методика определения свойств ВАЧП

2.4.1. Методика определения физико-механических

свойств ВАЧП....................................................................52

2.4.2. Методика определения износостойкости

ВАЧП.....................................................................................53

2.4.3. Методика определения литейных свойств ВАЧП..........................55

2.4.4. Определение стойкости ВАЧП в жидком алюминии и

расплаве силумина.........................................................................60

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И ГРАФИТИЗИРУЮЩЕГО МОДИФИЦИРОВАНИЯ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ВАЧП

3.1. Влияние алюминия на структуру и свойства ВАЧП............................62

3.2. Особенности влияния меди и графитизирующего модифицирования на структуру и свойства ВАЧП.............................65

3.3. Влияние кремния на структуру и свойства ВАЧП.................................78

3.4. Влияние углерода и циркония на структуру и свойства ВАЧП............79

3.5. Оптимизация состава ВАЧП..........................................................80

4. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ВАЧП С КОМПАКТНЫМ ГРАФИТОМ

4.1. Исследование влияния сфероидизирующего модифицирования ВАЧП и скорости охлаждения на его структуру и свойства................82

4.2. Определение литейных свойств ВАЧП

4.2.1. Определение жидкотекучести разработанного ВАЧП (ЧКГ).........87

4.2.2. Определение линейной усадки ВАЧП............................................87

4.2.3. Определение объёма усадочной раковины ВАЧП.........................89

4.3. Определение физико-механических свойств ВАЧП

4.3.1. Определение электропроводности и прочности ВАЧП...................90

4.3.2. Определение износостойкости ВАЧП........................................92

4.3.3. Определение стойкости ВАЧП в жидком алюминии и

расплаве силумина............................................................95

4.4. Особенности технологии получения ВАЧП и рекомендации по

его применению...........................................................................97

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ...................................................................100

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................101

ПРИЛОЖЕНИЯ........................................................................109

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время к алюминиевым чугунам проявляется достаточно большой интерес, поскольку современное производство в новых экономических условиях требует неуклонной экономии материалов, снижения удельного веса металлических конструкций при сохранении на достаточно высоком уровне механических свойств.

Ограниченное применение алюминиевых чугунов на сегодняшний день связано с невысоким уровнем их механических свойств, трудностями, связанными с получением стабильной структуры, что в первую очередь относится к высокоалюминиевым чугунам и чугунам промежуточной зоны. Вместе с тем известны работы по стабилизации структуры в половинчатых чугунах на базе системы Ре-С^ [36], так называемых стабильно-половинчатых чугунах (СПЧ), в которых структура не претерпевает коренных изменений в широком диапазоне колебаний химического состава, условий охлаждения и других внешних факторов, а также обеспечивается стабильность структуры в процессе эксплуатации деталей. Исходя из этого весьма интересным представляется выявление областей существования стабильно-половинчатых чугунов в системе Ре-С-А1 и использование их в качестве литейного материала со специальными свойствами. Такой подход позволяет к высокой износостойкости и хорошей обрабатываемости, присущим обычным СПЧ, добавить высокую жаро- и коррозионную стойкость и малый удельный вес, характерные для высокоалюминиевых чугунов.

К настоящему времени в промышленности нашли применение алюминиевые чутуны с содержанием алюминия 1...7% и 19...24% А1. Это две области, в которых алюминий ведёт себя как графитизирующий элемент.

Жаростойкость низкоалюминиевых чугунов колеблется в пределах 650...800°С, поэтому эти чугуны применяются для изготовления пресс-форм для стекольных изделий, деталей печного оборудования, колосников агломерационных машин.

Жаростойкость высокоалюминиевых чугунов может достигать 1200°С, поэтому эти чугуны применяются преимущественно для изготовления деталей арматуры котлов, термических печей и др.

Жаростойкость алюминиевых чугунов промежуточной зоны (7...18%А1) является достаточно высокой, но в промышленности эти чугуны не нашли практического применения, поскольку этот материал обладает низкими конструкционными свойствами из-за сильного карбидообразующего действия алюминия в данной зоне. Вместе с тем именно в этой зоне представляется возможность получения достаточно износостойкого материала, сочетающего в себе практически все преимущества высокоалюминиевых чугунов и позволяющего получить стабильную графито - карбидную структуру. Важно только, чтобы уровень механических свойств соответствовал требованиям, которые предъявляются к деталям, изготавливаемым из этого материала.

В связи с этим возникла необходимость всестороннего исследования структуры и свойств алюминиевых чугунов промежуточной зоны, а также разработки технологии его получения для отливок специального назначения.

Большое внимание в работе уделено исследованию влияния химического состава, модифицирования и скорости охлаждения на структуру и механические свойства алюминиевых чугунов промежуточной зоны (ВАЧП), выявлены условия получения стабильно - половинчатых чугунов и разработана технология их получения для производства фасонных отливок.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

(обзор литературы)

В литературе исследованию чугунов, легированных алюминием, отводится немного места. Это, прежде всего, связано с ограниченностью применения алюминиевых чугунов из-за их низких эксплуатационных свойств, сложности получения (плёнообразование) качественных отливок, низкой прочности. Последнее в особенной степени относится к алюминиевым чугунам промежуточной зоны, где наличие твёрдой фазы Fe3AlCx делает их неконструкционным материалом.

Тем не менее, следует отметить, что начало легирования железоуглеродистых сплавов в конце 50-х годов алюминием позволило получить материалы, обладающие высокой жаростойкостью, коррозионной стойкостью и другими специальными свойствами [6]. В середине 60-х годов можно отметить ярко выраженный научный интерес к проблеме исследования алюминиевых чугунов. Для повышения литейных свойств в международном Гентском литейном центре исследователем А. де Си (им же была выпущена первая статья по алюминиевым чугунам [30]) были предприняты попытки замены кремния эквивалентным количеством алюминия [52]. Полученные низкокремнистые алюминиевые чугуны имели предел прочности на разрыв до бООМПа, обладали высокими эксплуатационными свойствами (термостойкостью, ростоустойчивостью, износостойкостью). В конце 60-х начале 70-х годов исследованиям алюминиевых чугунов были посвящены работы А. де Си, М.Декро, Маржери. В этих работах изучалась структура и некоторые технологические, физико-механические свойства в сплавах Fe-C-Al, содержащих до 3% AI. В нашей стране наиболее полное теоретическое обоснование поведения алюминия в сплавах Fe-C были даны Бобро Ю.Г. и Жуковым A.A. Подобными исследованиями занимались также Бабич Е.П. и Севастьянов Н.С., которые исследовали механические свойства жаростойкого чугуна с 20-24% AI [3]. Проблемы повышения механических свойств, а также выяснение природы хрупкости алюминиевого чугуна с фосфором ставились в работах [10] и [61].

В работах Бобро Ю.Г., Алекандрова H.H. отмечается высокая жаростойкость алюминиевых чугунов. Именно благодаря ей алюминиевые чугуны используются для изготовления отливок, эксплуатирующихся при высоких температурах и в условиях теплосмен. В данном случае речь идёт о высокоалюминиевых чугунах, к исследованию которых в настоящее время проявляется достаточно большой интерес, связанный, в первую очередь, с общемировой тенденцией к снижению металлоёмкости металлических конструкций и приданию материалам специальных свойств при максимальном сохранении на достаточно высоком уровне механических свойств. Повышенная жаростойкость сплавов, легированных алюминием, обусловлена наличием на поверхности этих сплавов плотной, высокожаростойкой защитной плёнки окиси алюминия AI2O3 [1]. Алюминий в сплаве Fe-C, помимо взаимодействия с кислородом воздуха, восстанавливает окислы железа. В силу этого изделия, отлитые из чугуна, легированного достаточным количеством алюминия, на воздухе, в особенности при повышенных температурах, покрываются прочной плёнкой окиси алюминия. Электронно-микроскопические исследования показывают, что плёнка окиси алюминия в отличие от окислов железа является сплошной и беспористой, что справедливо для чугунов, содержащих алюминий в количестве не менее 15% [46]. Эта плёнка защищает изделия от дальнейшего окисления. Особенно высокие значения окалиностойкости и ростоустойчивости выявлены у алюминиевого чугуна с шаровидным графитом [57]. Этот материал практически не окисляется до 1100°С. Высокая жаростойкость алюминиевого чугуна сохраняется в ряде агрессивных газовых сред, в особенности в среде печных и сернистых газов, а также в перегретых парах серы. Чугун, легированный 19...25% алюминия, имеет вполне удовлетворительные литейные свойства, позволяющие получать отливки сложного профиля. При перегреве чугуна на 150...200°С выше температуры эвтектической кристаллизации жидкотекучесть алюминиевого чугуна близка к жидкотекучести серого чугуна. При снижении содержания алюминия в чугуне жидкотекучесть возрастает. Обладая высокой магнитострикцией, сплавы железа с алюминием и углеродом применяются для изготовления постоянных магнитов.

В настоящее время глубокие исследования алюминиевых чугунов проводятся на кафедре "Физико-химия литейных сплавов и процессов" Санкт-Петербургского государственного технического университета, охватывающие все области содержания алюминия, в том числе малоисследованную промежуточную область.

В середине 70-х годов остро ставится проблема повышения износостойкости материалов [16, 58, 62, 69, 81, 83]. Традиционные способы повышения износостойкости зачастую связаны с проведением термической обработки или использованием дорогостоящих легирующих элементов Сг, №, Мп, 8п, 8Ь. Низкие показатели износостойкости обычных чугунных отливок связывают с появлением аномального феррита в поверхностном слое [69]. Проведение нормализации не позволяло полностью устранить феррит, поэтому дополнительное легирование чугуна присадками 8Ь(0Д%) и 8п(0,2%) давали по всему сечению опытных отливок однородную перлито-графитную структуру, а доля мелкодисперсного графита в поверхностных слоях отливок уменьшалась. Отмечалось положительное влияние небольших добавок меди на антифрикционные свойства чугуна [83]. Медь в комплексе с фосфором значительно улучшает антифрикционные свойства феррита высокопрочного чугуна: добавка Си устраняет хрупкость от присадки фосфора, а свободная медь увеличивает теплопроводность чугуна, способствуя понижению температуры поверхностей трения и повышению работоспособности узлов трения.

Легирование чугуна Сг, № и Мп позволяет рассмотреть целую гамму износостойких чугунов, предусмотренных ГОСТом 7769-82. Основу высокой износостойкости составляют карбиды типа МзС, М7Сз, М2зСб.

В алюминиевых чугунах наибольшие показатели по износостойкости можно отметить у чугунов промежуточной зоны (7...18%А1) за счёт образования комплексного карбида БезАЮх и у так называемых пирофералей (29...31%А1), основу которых составляет карбид А14С3. Чугуны промежуточной зоны из-за их низких механических свойств на сегодняшний день практического применения не находят. Изделия из пирофералей эксплуатируются преимущественно при высоких температурах (~1000°С); при низких температурах происходит саморазрушение карбида А14С3.

Повышение механической прочности высокоалюминиевого чугуна промежуточной зоны (ВАЧП), исследование условий графитизации структуры ВАЧП и влияния технологических факторов на свойства сплава даёт возможность значительно расширить область применения алюминиевых чутунов.

В свете этого представляется интересным рассмотрение стабильно-половинчатых чугунов (СПЧ), которые достаточно глубоко изучены в работах ЖуковаА.А. и СильманаГ.И. в системе Fe-C-Si, и выявление областей существования СПЧ в системе Fe-C-Al [38].

Подобный подход позволяет не только обеспечить требуемый уровень механических свойств, но и получить стабильную структуру алюминиевых чугунов, не претерпевающей существенных изменений в широком диапазоне химического состава, скоростей охлаждения и других внешних факторов при производстве расплава и в процессе эксплуатации готовых деталей.

Ниже подробно рассматриваются имеющиеся в литературе данные по влиянию алюминия на структурообразование и свойства Fe-C-Al сплавов, а также развитие идеи стабильно-половинчатых чугунов.

1.1. Диаграммы состояний Fe-Al и Fe-Al-C сплавов

Равновесное состояние сплавов Fe-Al-C можно рассмотреть начиная с бинарной системы Fe-Al (рис. 1.1.) [1], поскольку данные о твёрдом а-растворе относятся к обеим системам. Сплавы, содержащие от 0 до 36% (по массе) алюминия, образуют непрерывный ряд твёрдых растворов. В этой области наблюдаются превращения из упорядоченной структуры в неупорядоченную и из магнитного состояния в немагнитное. В системе сплава Fe-Al у-область замыкается при содержании l...l,2% Al. Сплавы, не входящие в область твёрдого раствора (содержащие более 36% Al), не имеют практического значения для промышленности.

Стабильная диаграмма состояний системы Fe-Al достаточно подробно исследована в работах Н.С.Курнакова, Г.Г.Уразова, И.В.Агеева и др. Авторы

этих работ выделяют в решётке а-фазы 4 рода особых положений атомов, отмеченных буквами a?b5c,d (рис Л ,2,),

В сплавах до 9% алюминия расположение атомов случайное, то есть атомы алюминия статистически равномерно распределены в решётке растворителя.

В сплавах с содержанием 9-14% алюминия расположение атомов случайное, если сплавы охлаждены быстро. Если же сплавы охлаждены медленно, то атомы алюминия начинают предпочтительно скапливаться в местах "Ь" и при 14%, что соответствует стехиометрическому составу Без Al, занимают места "Ь", а атомы железа- места "а","с" и "d".

В сплавах с более высоким содержанием алюминия его атомы занимают места "Ь" и "d" и при 32% алюминия указанные места полностью заняты. Это состояние соответствует сверхрешётке стехиометрического состава FeAl.

Существование сверхструктуры типа РезА1 было установлено и рядом других авторов [6, 43]. При содержании приблизительно от 6 до 14% алюминия FesAl является стабильной до температуры 570°С.

В сплавах, содержащих от 14 до 20% алюминия, выявляются оба типа сверхструктур. Ускоренное охлаждение этих сплавов с температуры выше 600°С позволяет получить структуру типа FeAl. Начиная с 20% алюминия в закалённых сплавах обнаруживается исключительно сверхструктура FeAl. Это свидетельствует о том, что сверхструктура Fe3Al стабильна при температурах ниже 600°С, а сверхструктура FeAl устойчива при температурах выше 700°С. Однако некоторые авторы полагают, что сверхструктура БезА! существует и при темпер